[論文レビュー] Design, Modeling and Control of A Novel Amphibious Robot with Dual-swing-legs Propulsion Mechanism

Yang Yi, Zhou Geng+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Robotic Locomotion and Control参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、地上および水中両方の環境で移動するための二重スイングレッグ方式を用いた、新規なカエルにインspiredされた二栖性ロボットFroBotを提案する。地上移動にはアンチバイアスユニバーサルホイールを、水中移動には柔軟な尾びれを用い、ファジィPID制御を用いて安定した速度制御を実現し、水中実験では0.4 m/sの前進速度と操舵性を示した。

ABSTRACT

This paper describes a novel amphibious robot, which adopts a dual-swing-legs propulsion mechanism, proposing a new locomotion mode. The robot is called FroBot, since its structure and locomotion are similar to frogs. Our inspiration comes from the frog scooter and breaststroke. Based on its swing leg mechanism, an unusual universal wheel structure is used to generate propulsion on land, while a pair of flexible caudal fins functions like the foot flippers of a frog to generate similar propulsion underwater. On the basis of the prototype design and the dynamic model of the robot, some locomotion control simulations and experiments were conducted for the purpose of adjusting the parameters that affect the propulsion of the robot. Finally, a series of underwater experiments were performed to verify the design feasibility of FroBot and the rationality of the control algorithm.

研究の動機と目的

• 生物にインスパイアされた推進方式を用いて、地上および水中の両環境で効率的な移動が可能な新規な二栖性ロボットの開発。
• 最小限のアクチュエータで、車輪式および波状移動モードを統合する課題の解決。
• 対称的設計により、地上での安定したバランスの取れた移動と水中での効果的な推進を実現する二重スイングレッグ機構の設計。
• シミュレーションおよび地上・水中両方での実験的評価を通じて、動的モデルおよび制御戦略の妥当性の検証。
• 車輪式の高速性と波状尾びれ推進の利点を組み合わせることで、二栖性ロボットの移動性を向上。

提案手法

• アンチバイアスユニバーサルホイールを用いた地上推進と、柔軟な尾びれを用いた水中推進を備えた、カエルにインスパイアされたロボット（FroBot）の設計。
• スイングレッグ機構とホイール運動学に基づき、地上での前進、後退、勾配上り下り移動のための動的モデルの構築。
• 二重ループ制御システムの実装：内側のPIDループでモーター制御を行い、外側のファジィPIDループで速度追従および軌道追従制御を実現。
• 地上での軌道追従実験において、リアルタイムの位置フィードバックを取得するための線形アレイCCDセンサの使用。
• 直径5.5 m、深さ1.0 mのプールを用いた遠隔制御水中実験により、尾びれによる推進および操舵性の評価。
• 水中移動のオフライン動画解析により、速度の定量的評価および制御性能の評価（直進泳ぎ、下降、S字経路追従など）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の駆動システムを用いて、二重スイングレッグ機構が地上および水中両方で効果的かつ安定した移動を可能にするメカニズムは何か？
• RQ2 スイング振幅、周波数、ホイール構成の最適な組み合わせは何か？ これは地上での速度と安定性を最大化するために重要である。
• RQ3 ファジィPIDコントローラーは、地上での変動する条件下でも、速度追従および軌道追従を効果的に管理できるか？
• RQ4 柔軟な尾びれは、カエルに類似した波状推進を二栖性ロボットでどれほど再現できるか？
• RQ5 水中環境におけるロボットの主な性能指標（例：速度、操舵性）は何か？ また、それらは理論的期待値と比べてどうか？

主な発見

• FroBotは、水中実験のオフライン動画解析により、地上最大速度1 m/s、水中安定速度0.4 m/sを達成した。
• ファジィPIDコントローラーにより、目標速度0.47 m/sを0.40–0.55 m/sの範囲内で追従可能となり、軌道追従実験では平均速度約0.47 m/sを記録した。
• ロボットは水中で前進泳ぎ、下降、S字経路追従を成功裏に実行し、ヨー、ピッチ、ロールの制御を実現した。
• シミュレーションおよび実験による検証により、地上移動の動的モデルが正当化され、スイング振幅および周波数が推進力に与える影響が確認された。
• 二重スイングレッグ機構の対称的設計により、地上および水中移動の両方で安定した進行方向制御とバランスが実現された。
• 4度を超える勾配では、被動的ホイール構造の制限により性能が制限されたため、今後の設計改善に機械的改良が必要であると示された。