RAMP: Reaction-Aware Motion Planning of Multi-Legged Robots for Locomotion in Microgravity

Autores: Warley F. R. Ribeiro, Kentaro Uno, Masazumi Imai, Koki Murase, Kazuya Yoshida · ICRA 2023

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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 planejador de movimento para robôs com pernas e garras em microgravidade que molda as trajetórias das pernas em balanço e move o corpo para absorver a quantidade de movimento do balanço, reduzindo as reações que soltam as garras.

Por que importa

Robôs com pernas e pés preênseis são propostos para asteroides e estações espaciais, onde o salto não é controlado e o voo baseado em propelente é limitado. O RAMP oferece uma forma, no nível de planejamento, de reduzir as forças de tração nas garras sem precisar de estimativas de atrito, e seu fator de distribuição ajustável oferece uma alternativa de baixa reação ao controle sem reação que pode evitar configurações singulares.

Problema

Em microgravidade, as únicas forças que podem soltar as garras de um robô com pernas da superfície vêm do seu próprio movimento, de modo que a caminhada dinâmica traz risco de desprendimento e de perda do robô. A caminhada quase estática evita isso, mas é lenta demais para os limites de tempo da missão; o controle complacente baseado em atrito precisa de dados de atrito indisponíveis antes de uma missão, e o controle sem reação foi demonstrado apenas para um único contato e pode levar o robô a poses singulares.

Solução proposta

O RAMP combina uma trajetória de balanço de baixa reação, um caminho de balanço de Bézier de 7ª ordem cujos coeficientes são otimizados para minimizar a variação máxima da quantidade de movimento enquanto se atinge a altura do passo, com uma distribuição da quantidade de movimento do balanço para o corpo inteiro. Esta última calcula uma velocidade da base que cancela uma fração α da quantidade de movimento do balanço enquanto mantém as garras de apoio com velocidade nula; α = 0,5 dá distribuição parcial (RAMP-PMD) e α = 1, distribuição completa (RAMP-FMD).

Principais ideias

Em microgravidade, as forças que puxam as garras vêm apenas do próprio movimento do robô, portanto minimizar a variação da sua quantidade de movimento reduz diretamente o risco de desprendimento.
Otimizar apenas a trajetória de balanço reduz as reações, mas não é suficiente; também é necessário distribuir a quantidade de movimento do balanço para a base e as pernas de apoio.
Cancelar totalmente a quantidade de movimento do balanço (α = 1) pode levar um robô de baixa inércia a uma singularidade, por isso o fator de distribuição deve ser ajustado à inércia, à velocidade e à manipulabilidade do robô.
A trajetória de balanço de baixa reação reduz as reações em parte aproximando o membro em balanço do corpo, o que diminui sua inércia.

Principais resultados

Simulação de um robô quadrúpede semelhante ao Hubrobo em uma superfície rugosa de asteroide (10⁻⁶ G, força de fixação das garras de 0,9 N): o plano de referência se desprendeu e o robô saiu flutuando após alguns passos.
Na mesma simulação, o RAMP-PMD (α = 0,5) avançou 40 cm sem exceder o limite de força das garras, enquanto o RAMP-FMD (α = 1) deslocou demais a base e caiu em uma configuração singular.
Em um robô de dois braços com flutuação a ar e um membro fixado a uma placa, o RAMP-FMD reduziu a força e o momento máximos de reação com o solo para 40 % da referência (uma redução de até 60 %).
A força e o momento médios caíram para entre 60 % e 25 % da média de referência, dependendo do fator de distribuição (uma redução de até 75 %).
A atitude do corpo mudou 11° com a distribuição parcial da quantidade de movimento e 21° com a completa no teste de flutuação a ar, sem problemas de singularidade nesse robô de maior inércia.

Limitações

O fator de distribuição precisa ser ajustado para cada robô para evitar distribuir mais quantidade de movimento do que o robô consegue absorver; a distribuição completa causou uma singularidade na simulação.
O teste físico é planar e cobre um único passo, porque o robô de flutuação a ar não consegue caminhar continuamente; um membro está parafusado a uma placa, então o desprendimento real não é testado em hardware.
Os resultados de caminhada do quadrúpede vêm apenas de simulação, usando um modelo de contato pontual complacente com rigidez e amortecimento da superfície assumidos.
As trajetórias e a cinemática inversa do experimento foram calculadas offline.

Impacto na área

Finalista do prêmio ICRA 2023 Outstanding Locomotion Paper, com 7 citações. Nenhum código, dado ou projeto de hardware é disponibilizado com o artigo.

Resumo

A mobilidade robótica em microgravidade é necessária para ampliar a utilização e a exploração humana do espaço sideral. Robôs bioinspirados com múltiplas pernas são uma possível solução para uma locomoção segura e precisa. No entanto, um movimento dinâmico de um robô em microgravidade pode levar a falhas devido ao desprendimento das garras causado por reações excessivas do movimento. Propomos um novo planejamento de movimento ciente das reações (Reaction-Aware Motion Planning, RAMP) para melhorar a segurança da locomoção em microgravidade, diminuindo o risco de perder contato com a superfície do terreno ao reduzir a variação da quantidade de movimento do robô. O RAMP minimiza a quantidade de movimento do balanço com uma trajetória de balanço de baixa reação (Low-Reaction Swing Trajectory, LRST), ao mesmo tempo em que distribui essa quantidade de movimento para o corpo inteiro, garantindo velocidade nula para as garras de apoio e minimizando as reações do movimento. Verificamos a abordagem proposta com simulações dinâmicas que indicam a capacidade do RAMP de gerar um movimento seguro sem desprendimento das garras de apoio, resultando no robô alcançando o local especificado. Validamos ainda o RAMP em experimentos com um sistema de flutuação a ar, demonstrando uma redução significativa das forças de reação e maior mobilidade em microgravidade.

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