[논문 리뷰] Bio-inspired Adaptive Latching System for Towing and Guiding Power-less Floating Platforms with Autonomous Robotic Boats

Luis A. Mateos|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 08.

Modular Robots and Swarm Intelligence참고 문헌 22인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 문어의 테두리 기반 볼-소켓 조인트 메커니즘을 모방한 생물학적 영감을 받은 적응형 락킹 시스템을 제시한다. 이 시스템은 자율 주행 로봇 보트가 전원이 꺼진 수면 플랫폼을 안정적으로 끌고 가도록 하며, 보다 넓은 수로에서의 안정적인 항해를 가능하게 한다. 시스템은 적응형 콘 및 구동 가능한 수용부를 사용하여 데모 플랫폼의 남성 볼에 유도하고 锁정하며, 플랫폼의 자유도를 제한하여 좁은 수로에서의 안정적인 항법을 실현한다. 실외 테스트에서는 암스테르담 수로와 찰스 강에서 성공적으로 끌고 가는 것을 입증하였다.

ABSTRACT

Autonomous robotic boats are expected to perform several tasks: 1) navigate autonomously in water environments, such as the canals of Amsterdam; 2) perform individual task, such as water monitoring, transporting goods and people; 3) latch together to create floating infrastructure, such as bridges and markets. In this paper we present a novel bio-inspired robotic system for latching, towing and guiding a floating passive-power-less platform. The challenge is to design an adaptive latching mechanism, able to create a secure connection between the entities, easy to attach/detach, even if the boats are affected by water disturbances. But most important, the adaptive latching must be able to restricting the DoF (degrees of freedom) of the latched "dummy" platform. Since, the robotic boat may drive it in narrow water canals and must prevent it from drifting and hitting the wall. This novel adaptive latching mechanism is based on the ball and socket joint that allows rotation and free movements in two planes at the same time. It consists of two parts: the male part that includes a bearing stud (ball) integrated on the floating bin "dummy" and the female part located on the autonomous robotic boat. Which integrates an adaptive framed funnel to guide the male ball into an actuated receptor that traps the ball, creating the ball-socket joint between the boats. In this sense, the adaptive latching mechanism mimics squid's tentacles that can adjust the forces applied to a holding object restricting its degrees of freedom. Experimental results are presented from our swarm robotic boats integrating the adaptive latching system and performing the towing and guiding use cases.

연구 동기 및 목표

• 실세계 수상 환경에서 전원이 꺼진 수면 플랫폼과 동적으로 연결하고 이동시키기 위해 자율 주행 로봇 보트를 가능하게 하는 것.
• 끌고 가는 동안 수중 요동으로 인한 영향을 고려하여 안정적인 연결을 유지하고 자유도를 제한하는 과제를 해결하는 것.
• 수동 플랫폼에 전원이나 센서가 필요 없이도 안정적으로 도킹할 수 있는 기계적으로 신뢰할 수 있는 락킹 메커니즘을 개발하는 것.
• 적응형 스템프 제어를 통해 플랫폼의 이격과 충돌 위험을 줄여 좁은 수로에서 정밀한 끌고 가기를 가능하게 하는 것.
• 암스테르담 수로와 같은 복잡한 도시 수로를 포함한 실내 및 실외 환경에서 시스템을 검증하는 것.

제안 방법

• 락킹 메커니즘은 문어의 낚시 팔에서 영감을 얻은 볼-소켓 조인트를 사용하며, 수동 플랫폼에 남성 볼이 있고, 자율 주행 로봇 보트에 구동 가능한 수용부가 있다.
• 적응형 프레임 콘은 남성 볼을 수용부로 유도하여 정밀도 요구 사항을 낮추고 수중 요동으로 인한 오차를 보완한다.
• 카메라 태그 감지를 사용하는 시각 기반 제어기가 목표 플랫폼의 자세와 방향을 추정하여 정확한 접근과 락킹을 가능하게 한다.
• 락킹 및 끌고 가는 동안 정밀한 위치 추정과 항법을 위해 3D 라이다, RTK GPS, 자이로스코프, 스테레오 카메라를 통합한다.
• 두 가지 기능 모드를 구현한다: 1 DoF(대칭 구동) 및 2 DoF(비대칭 구동), 이는 각각 각도 오차가 있는지 여부에 따라 제어 가능한 끌고 가기를 가능하게 한다.
• 락킹 과정은 세 단계로 나뉜다: 유도(시각 기반 항법), 도킹(콘 유도 삽입), 거주(구동 가능한 소켓이 볼을 锁정하여 구형 조인트 형성).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실수로 움직이는 수중 환경에서 정밀도 요구 사항을 최소화하면서도 자율 주행 로봇 보트가 전원이 꺼진 수면 플랫폼에 안정적으로 락킹할 수 있는가?
• RQ2 어떻게 하면 락킹 메커니즘이 좁은 수로에서의 이격과 벽 충돌을 방지하기 위해 수동 플랫폼의 자유도를 효과적으로 제한할 수 있는가?
• RQ3 생물학적 영감을 받은 적응형 콘과 구동 가능한 소켓이 수중 요동으로 인한 오차를 어느 정도 보완할 수 있는가?
• RQ4 로봇 보트의 센서와 액추에이터만으로도 안정적인 연결을 유지하고 수동 플랫폼을 제어적으로 끌고 갈 수 있는가?
• RQ5 암스테르담 수로와 찰스 강과 같은 실외 환경에서 시스템은 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• 상대 위치가 x축 기준 900 mm 이내, y축 기준 ±40 mm 이내, 요우 각도가 ±27.5° 이내일 경우 로봇 보트가 수동 플랫폼에 성공적으로 락킹하였으며, 수중 요동 상황에서도 안정된 연결을 유지하였다.
• 락킹 후 플랫폼의 피치 및 롤 진동이 ≤±1°로 감소하여, 락킹된 플랫폼의 효과적인 진동 감쇠 및 안정화가 이루어졌음을 나타냈다.
• 2 DoF 적응형 락킹 시스템은 로봇 보트와 수동 플랫폼 사이에 6°의 각도 오차가 있는 상태에서도 끌고 가기를 가능하게 하여 곡선 노선에서의 제어 가능한 안내 기능을 입증하였다.
• 실내 수영장 테스트와 실외 시험(찰스 강 및 암스테르담 수로) 모두에서 안정적인 락킹과 끌고 가기 성능을 달성하였다.
• 시각 기반 제어기가 수동 플랫폼에 센서나 추진장치가 필요 없이 정확한 자세 추정과 락킹을 가능하게 하여 실외 적용 가능성의 타당성을 입증하였다.