[論文レビュー] A Reconfigurable USAR Robot Designed for Traversing Complex 3D Terrain

Krispin A. Davies, Alejandro Ramirez‐Serrano|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2015

Robotic Locomotion and Control参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、複雑な3次元地形を走破できる再構成可能なUSARロボット「Cricket」を提案する。トラック走行による効率性と頑丈さに加え、アーチレートド・リムを備えた多脚歩行を組み合わせることで、ケーブルなしで垂直上昇が可能となり、自身体高の数倍の高さの障害物をも越えることができ、閉鎖的で危険な環境における都市型救助活動の能力を顕著に向上させる。

ABSTRACT

The use of robotics in Urban Search and Rescue (USAR) is growing steadily from their initial inception during the 2001 World Trade Centre incident. Despite years of progress, the core design of robots currently in use for USAR purposes has deviated little, favoring software and control development and optimization of the basic robot template to improve performance instead. Presented here is a novel design description of the Cricket, an advanced robot with a broader range of physical capabilities than traditional USAR robots. By incorporating the tracked structure of earlier robots, appreciated for energy efficiency and robustness, into a multi-limbed walking design, the Cricket enables the use of advanced locomotion techniques. The ability to climb over obstacles many times the height of the robot, ascend vertical shafts without the assistance of a tether, and traverse rough and near vertical terrain improves the Cricket's capability to successfully locate victims in confined spaces.

研究の動機と目的

• 斜面が急で大きな障害物がある複雑な3次元環境を、従来のUSARロボットが困難に感じる状況を克服すること。
• ケーブル支援なしに自律的かつ垂直上昇が可能で、ほぼ垂直な表面を走破できるロボット設計の開発。
• トラックと脚部のハイブリッド機構を用いた再構成可能機構により、閉鎖的かつ破片でごみだらけの空間における物理的適応性を向上させること。
• 標準のトラック式または車輪式ロボットでは到達できない場所にアクセス可能にすることで、都市型救助ミッションの成功確率を高めること。
• エネルギー効率の良いトラック走行システムと、多脚歩行システムの動的移動性を統合することで、ロボット走行技術を前進させること。

提案手法

• Cricketロボットは、トラック走行モードと多脚歩行モードの間を再構成可能な機械的設計を採用している。
• 平坦または不整な地形では、安定的かつエネルギー効率の良い移動を実現するためのトラック式下部構造を採用している。
• 障害物を越えることや垂直なシャフトへの上昇を可能にするために、可動する脚部を備え、再構成可能である。
• 脚部走行のための歩行制御と、荷重支持と効率性を確保するためのトラック駆動を組み合わせた走行戦略を採用している。
• 荒廃的かつ予測不能な災害環境に耐えるために、モジュラリティと機械的頑丈さを設計の柱としている。
• 移行段階や障害物越えの際の脚部とトラックの運動を統合制御するための制御アルゴリズムを開発している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トラックと脚部のハイブリッド機構を備えたロボットは、複雑な3次元地形においてケーブルなしで垂直上昇を達成できるか？
• RQ2 再構成可能な走行機構は、自身体高よりもはるかに高い障害物を越える走破能力をどの程度向上させるか？
• RQ3 トラック走行と脚部走行の統合は、閉鎖的で破片がごみだらけの環境における移動性をどのように向上させるか？
• RQ4 1台のロボットプラットフォームにおいて、エネルギー効率と動的移動性の間でどのような性能のトレードオフが生じるか？
• RQ5 実際のUSARシナリオにおいて、1つのロボット設計が異なる走行モードを実際に効果的に切り替えられるか？

主な発見

• Cricketロボットは、ケーブルや外部支援なしに垂直なシャフトを上昇することに成功し、自律的垂直移動性を実証した。
• 自身体高の2倍以上にのぼる障害物をも走破し、標準のトラック式USARロボットでは到達できない地形を走破できた。
• 再構成可能設計により、トラック走行と脚部歩行の間の効果的な移行が可能となり、複雑な環境への適応性が向上した。
• トラック走行によるエネルギー効率の維持に加え、可動脚部による動的上昇も実現した。
• 近垂直な地形や不整な地形においても、ロボットは頑丈さと安定性を維持し、実用的USAR応用への可能性を裏付けた。
• 本設計により、特に閉鎖的かつ構造的に損傷を受けた空間において、現在のUSARロボットの運用範囲が顕著に拡大された。