Omni-Roach: A legged robot capable of traversing multiple types of large obstacles and self-righting

Autores: Jonathan Mi, Yaqing Wang, Chen Li · ICRA 2022

Licenças

Acesso aberto
Artigo: CC BY 4.0

Tudo o que segue se baseia no artigo completo sob a licença CC BY 4.0; sua figura é mostrada com crédito aos autores.

Em resumo

Um pequeno robô no estilo RHex combina uma carapaça arredondada, asas e uma cauda ativa para passar por pilares, ressaltos, vãos e hastes que imitam capim, e para se endireitar sozinho, usando estratégias aprendidas com as baratas.

Por que importa

Busca e resgate em escombros, monitoramento do solo de florestas e exploração planetária precisam de robôs que atravessem obstáculos em vez de contorná-los. O artigo mostra que várias estratégias de forma do corpo e de apêndices podem ser integradas em um único robô pequeno e testadas em cada tipo de obstáculo.

Problema

Robôs navegam bem evitando obstáculos, mas têm dificuldade em terrenos 3-D cheios de grandes obstáculos, com os quais precisam interagir fisicamente. Trabalhos anteriores do mesmo laboratório encontraram estratégias separadas para pilares, ressaltos, vãos, hastes flexíveis e autoendireitamento, mas nenhum robô as combinava.

Solução proposta

O Omni-Roach é um robô de seis pernas da classe RHex com pernas complacentes, uma carapaça arredondada que se desvia passivamente dos pilares e rola para dentro dos vãos, uma carapaça superior que se abre em duas asas para o autoendireitamento e uma cauda com arfagem e guinada usada para levantar a frente do corpo e bater no solo. Foram construídos dois protótipos: a v1 (1,8 kg, pernas em forma de C) e uma v2 menor (0,75 kg, pernas em forma de S, motores mais rápidos, cauda relativamente mais longa).

Principais ideias

O corpo arredondado desviou o robô para além dos pilares em 100 % das vezes, sem sensoriamento nem controle ativo
Sem a cauda, nenhuma das duas versões conseguia levantar a frente o bastante para subir um ressalto, e a v1 ficava presa levantando-se contra as hastes
Nos testes com hastes, uma cauda apontada para baixo e oscilando em guinada rolou o corpo para dentro do vão e rompeu o contato por atrito e por travamento, e foi o único modo que atravessou nos quatro ângulos de aproximação
Uma cauda estática para baixo só atravessou as hastes com ângulos de aproximação de 15° a 45°, o que sugere que um dos papéis da oscilação da cauda é ajustar o ângulo de aproximação
Os ganhos da v2 são atribuídos a pernas relativamente mais longas (de 14 % para 25 % do comprimento do corpo), uma cauda relativamente mais longa (de 54 % para 73 %) e cerca de 4× a frequência de passada, enquanto a razão entre força das pernas e peso do corpo caiu apenas de 1,6 para 1,4

Principais resultados

A v2 subiu um ressalto de 2,5× a altura do quadril com 80 % de sucesso, contra 1,5× a altura do quadril para a v1
A v2 cruzou um vão de 75 % do comprimento do corpo (15 cm) com a cauda em repouso, contra 48 % (17 cm) para a v1; o movimento da cauda não melhorou a travessia de vãos em nenhuma das versões
A v2 atravessou hastes com um vão de 65 % da largura do corpo (12 cm, cerca de 50° de rolagem do corpo), contra 91 % (21 cm, cerca de 24° de rolagem) para a v1
Autoendireitamento em 4,0 s com 100 % de sucesso para a v2, e 90 % de sucesso em até 4 s para a v1, em solo plano
O espaçamento dos pilares é dado como 1,1× a largura do corpo no resumo e como 1,08× a largura do corpo na seção final (quatro pilares espaçados de 20 cm, largura da v2 de 18,5 cm)
Em 160 ensaios com hastes (10 por modo de cauda e ângulo de aproximação), oscilar em guinada a cauda voltada para baixo reduziu o tempo médio de travessia em 30 % em relação à cauda estática para baixo a 15°, 30° e 45°

Limitações

O robô é controlado manualmente entre os modos locomotores; os autores citam visão e sensoriamento de forças de contato para transições autônomas como trabalho futuro
Os motores das pernas e da cauda são lentos demais para a travessia dinâmica de vãos, então a cauda não ajuda a cruzá-los
A carapaça arredondada que ajuda com pilares e hastes desvia o robô dos ressaltos; os autores propõem uma carapaça que mude de forma
Todos os testes foram feitos em bancadas de laboratório simples (pilares e ressaltos de alumínio, hastes de acrílico sobre molas de torção, placa perfurada com lixa), e o autoendireitamento foi testado apenas em solo plano

Impacto na área

Finalista do prêmio ICRA 2022 Outstanding Locomotion Paper, com 20 citações. O artigo não informa a liberação de código nem de arquivos de projeto; um vídeo suplementar o acompanha.

Resumo

Robôs se destacam em evitar obstáculos, mas ainda têm dificuldade para atravessar terrenos 3-D complexos com grandes obstáculos aglomerados. Em contraste, insetos como as baratas se destacam nisso. Pesquisas recentes em nosso laboratório elucidaram como as transições locomotoras emergem da interação entre locomoção e ambiente para diversos desafios locomotores abstraídos de terrenos 3-D complexos, e quais estratégias superam esses desafios. Aqui, partimos dessas descobertas fundamentais para desenvolver um robô com pernas inspirado em baratas, o Omni-Roach, que integra essas estratégias para uma locomoção multifuncional. O robô se baseia no projeto da classe RHex, com seis pernas complacentes, e tem um corpo de forma arredondada com duas asas que podem se abrir e uma cauda ativa com graus de liberdade de arfagem e guinada. Ao longo de duas iterações de desenvolvimento e teste, nosso robô foi capaz de superar todos os desafios locomotores com alto desempenho e alta taxa de sucesso. Ele atravessou pilares rígidos aglomerados espaçados apenas 1,1× a largura do corpo do robô, um ressalto de 2,5× a altura do quadril, um vão de 0,75× o comprimento do corpo e hastes flexíveis densamente aglomeradas espaçadas apenas 65 % da largura do seu corpo, e se endireitou sozinho em até 4 segundos. Experimentos sistemáticos sobre o uso da cauda e o ângulo de aproximação para atravessar hastes revelaram que uma cauda ativa apontada para baixo e batendo no solo ajuda a rolar o corpo para dentro do vão e a romper o contato por atrito e por travamento para atravessar.

Open Source Robotics