[論文レビュー] Guidance, Navigation and Control of Multirobot Systems in Cooperative Cliff Climbing

Himangshu Kalita, Ravi Teja Nallapu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、反動輪ととがったグリッピングアクチュエータを備えたばねテザー結合ロボットを用いた協調的マルチロボットシステムを提案する。このシステムは、低重力天体の急勾配な崖や荒れた地形を登攀可能であり、グリッピング機構によるアンカー化と分散制御により、1台のロボットが滑落した場合でも安全に再構成可能な上り勾配を実現する。シミュレーションにより、惑星探査ミッションにおける実現可能性が示された。

ABSTRACT

The application of GNC devices on small robots is a game-changer that enables these robots to be mobile on low-gravity planetary surfaces and small bodies. Use of reaction wheels enables these robots to roll, hop, summersault and rest on precarious/sloped surfaces that would otherwise not be possible with conven-tional wheeled robots. We are extending this technology to enable robots to climb off-world canyons, cliffs and caves. A single robot may slip and fall, however, a multirobot system can work cooperatively by being interlinked using spring-tethers and work much like a team of mountaineers to systematically climb a slope. A multirobot system as we will show in this paper can climb sur-faces not possible with a single robot alone. We consider a team of four robots that are interlinked with tethers in an 'x' configuration. Each robot secures itself to a slope using spiny gripping actuators, and one by one each robot moves up-wards by crawling, rolling or hopping up the slope. If any one of the robots loses grip, slips or falls, the remaining robots will be holding it up as they are anchored. This distributed controls approach to cliff climbing enables the system to reconfigure itself where possible and avoid getting stuck at one hard to reach location. Instead, the risk is distributed and through close cooperation, the robots can identify multiple trajectories to climb a cliff or rugged surface. The benefits can also be realized on milligravity surfaces such as asteroids. Too fast a jump can result in the robot flying off the surface into space. Having multiple robots anchored to the surface keeps the entire system secure. Our work combines dynamics and control simulation to evaluate the feasibility of our approach. The simulation results show a promising pathway towards advanced development of this technology on a team of real robots.

研究の動機と目的

• 単一のロボットが滑落や不安定性により失敗する可能性がある、低重力の天体における崖の自動登攀を可能にすること。
• チームのロボットが上り勾配中に動的に再構成可能であり、システムの整合性を維持できる分散制御戦略を開発すること。
• ばねテザー結合を活用してリスクを分散させ、1台のロボットがグリップを失った場合のシステム全体の失敗を防ぐこと。
• 4台のロボットが「X」型配置で構成されるチームを用いた動的シミュレーションにより、協調的登攀の実現可能性を示すこと。

提案手法

• ロボットは反動輪を装備しており、傾斜面での転がり、飛び跳ね、制御された運動を可能にする。
• 各ロボットは上り勾配中、崖面にしっかりとアンカーをとるためのとがったグリッピングアクチュエータを用いる。
• ロボット同士は「X」型配置でばねテザー結合リンクにより接続され、機械的および制御的結合を実現する。
• 分散制御フレームワークにより、各ロボットが独立してナビゲートしつつ、システムの安定性と調整を維持できる。
• ロボットの運動、グリップ保持、スリップや軋んだような故障シナリオをモデル化するために、動力学および制御シミュレーションを用いる。
• システムは動的に再構成可能であり、障害物や閉じ込め状態を避けるための複数の経路を探索可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反動輪とグリッピングアクチュエータを備えた4台のばねテザー結合ロボットが、協調的に急勾配で荒れた崖面を登攀できるか？
• RQ2 1台のロボットがスリップまたはグリップを失った場合、分散制御アーキテクチャがシステムの安定性をどのように維持するか？
• RQ3 ばねテザー結合が崖登攀中にリスクを分散させ、システム全体の失敗を防ぐ役割を果たすか？
• RQ4 反動輪とグリッピングアクチュエータは、低重力で急勾配な表面で制御された運動をどのように可能にするか？
• RQ5 障害物や失敗した運動に直面した場合、システムは動的に再構成され、代替経路を探索できるか？

主な発見

• シミュレーション結果により、反動輪とグリッピングアクチュエータを備えた4台のばねテザー結合ロボットによる協調的崖登攀の実現可能性が確認された。
• 1台のロボットがスリップしても、残りのロボットがテザーでそれを保持することで、システム全体の安定性が維持された。
• 分散制御アプローチにより動的再構成が可能となり、チームが複数の登攀経路を探索できるようになった。
• 反動輪の使用により、危険な表面でも転がり、飛び跳ね、サマーサルトなどの制御された移動モードが可能になった。
• ばねテザー結合構成は機械的応力を効果的に分散させ、システム全体の故障リスクを低減した。
• このアプローチは、アスタリスクなどミリ重力環境に特に適しており、制御不能なジャンプが表面から脱出を引き起こす可能性があるためである。