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

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

授權條款

• 開放取用
• 論文: CC BY 4.0

以下內容皆依據論文全文，依其 CC BY 4.0 授權條款使用；圖表已標示作者。

一句話摘要

一台小型 RHex 式機器人結合圓潤外殼、翅膀與主動尾巴，運用從蟑螂學來的策略穿過柱子、凸塊、溝縫與類似草叢的梁，並能自行翻正。

為何重要

瓦礫中的搜救、林地監測與行星探測，需要能推開障礙物前進、而非繞過它們的機器人。論文顯示，多種機身形狀與附肢策略可以整合到一台小型機器人中，並在每一種障礙類型上進行測試。

問題

機器人靠避開障礙物能順利導航，但在布滿大型障礙物、必須與之發生物理交互作用的 3-D 地形中仍很吃力。同一實驗室先前的研究分別找出應對柱子、凸塊、溝縫、柔性梁與自行翻正的策略，但沒有任何一台機器人把它們結合起來。

提出的方法

Omni-Roach 是一台具柔順腿的六足 RHex 類機器人，圓潤外殼能被動地從柱子旁偏轉並滾進縫隙，頂部外殼能張開成兩片翅膀以自行翻正，尾巴具有俯仰與偏擺，用來抬起機身與敲擊地面。共製作了兩台原型：v1（1.8 kg、C 形腿）與較小的 v2（0.75 kg、S 形腿、較快的馬達、相對較長的尾巴）。

關鍵見解

• 圓潤的機身在沒有任何感測或主動控制的情況下，100% 讓機器人偏轉繞過柱子
• 沒有尾巴時，兩個版本都無法把機身前端抬得夠高以爬上凸塊，v1 還會在抬頭頂著梁時卡住
• 在梁測試中，指向下方並在偏擺方向擺動的尾巴把機身滾進縫隙，打破摩擦與互鎖接觸，而且是唯一在全部四種接近角下都能穿越的模式
• 靜止向下的尾巴只在 15° 至 45° 的接近角下穿越了梁，顯示尾巴擺動的作用之一是調整接近角
• v2 的進步歸因於相對較長的腿（機身長度的 14% 增為 25%）、相對較長的尾巴（54% 增為 73%）以及約 4× 的步頻，而腿部力量與體重之比只從 1.6 降到 1.4

主要結果

• v2 以 80% 的成功率爬上 2.5× 髖部高度的凸塊，v1 則為 1.5× 髖部高度
• 尾巴在初始位置時，v2 越過 75% 機身長度（15 cm）的溝縫，v1 為 48%（17 cm）；尾巴動作對兩個版本的越溝都沒有改善
• v2 穿越間隙為 65% 機身寬度（12 cm，機身滾轉約 50°）的梁，v1 為 91%（21 cm，滾轉約 24°）
• 在平地上，v2 在 4.0 s 內自行翻正，成功率 100%；v1 在 4 s 內的成功率為 90%
• 柱子間距在摘要中為機身寬度的 1.1×，在結尾章節中為機身寬度的 1.08×（四根柱子間距 20 cm，v2 寬 18.5 cm）
• 在 160 次梁試驗中（每種尾巴模式與接近角各 10 次），在 15°、30° 與 45° 下，向下且在偏擺方向擺動的尾巴比靜止向下的尾巴使平均穿越時間縮短 30%

限制

• 機器人在各行走運動模式之間由人工控制；作者將用於自主轉換的視覺與接觸力感測列為未來工作
• 腿部與尾巴馬達太慢，無法進行動態的越溝，因此尾巴對越過溝縫沒有幫助
• 有助於穿過柱子與梁的圓潤外殼，會讓機器人偏離凸塊；作者提出一種可變形的外殼
• 所有測試都在簡單的實驗室測試台上進行（鋁製柱子與凸塊、裝在扭力彈簧上的壓克力梁、貼有砂紙的洞洞板），自行翻正只在平地上測試

對領域的影響

入圍 ICRA 2022 傑出行走運動論文獎決選，被引用 20 次。論文未說明是否釋出程式碼或設計檔案；論文附有一段補充影片。

摘要

機器人擅長避開障礙物，但要穿越布滿大型障礙物的複雜 3-D 地形仍很吃力。相較之下，蟑螂等昆蟲非常擅長這件事。我們實驗室近期的研究闡明，針對從複雜 3-D 地形抽象出來的多種行走運動挑戰，行走運動模式的轉換如何從運動體與環境的交互作用中浮現，以及哪些策略能克服這些挑戰。在此，我們以這些基礎見解為本，開發一台受蟑螂啟發的腿式機器人 Omni-Roach，整合這些策略以實現多功能的行走運動。此機器人以具有六條柔順腿的 RHex 類設計為基礎，具有圓潤的機身形狀、兩片可以張開的翅膀，以及一條具有俯仰與偏擺自由度的主動尾巴。經過兩輪開發與測試迭代，我們的機器人能以高效能與高成功率克服所有行走運動挑戰。它穿越了間距僅為機身寬度 1.1× 的雜亂剛性柱子、2.5× 髖部高度的凸塊、0.75× 機身長度的溝縫、間距僅為其機身寬度 65% 的密集柔性梁，並在 4 秒內自行翻正。針對尾巴使用方式與梁穿越接近角的系統性實驗顯示，指向下方並敲擊地面的主動尾巴，有助於把機身滾進縫隙，並打破摩擦與互鎖接觸以完成穿越。

連結

• arXiv 2112.10614: https://arxiv.org/abs/2112.10614
• DOI 10.1109/ICRA46639.2022.9811372: https://doi.org/10.1109/ICRA46639.2022.9811372
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2112.10614v1