[논문 리뷰] Dynamical Behavior Investigation and Analysis of Novel Mechanism for Simulated Spherical Robot named "RollRoller"

Seyed Amir Tafrishi, Sándor M. Veres외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 19.

Control and Dynamics of Mobile Robots참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 곡면 파이프 내 유체 구동 핵 이동을 통해 4-DOF 운동(전진/후진, 횡방향, 자세, 점프)을 가능하게 하는 새로운 구형 이동 로봇인 RollRoller를 제안한다. 비선형 역학을 유도하고 하이브리드 제어 모델을 구현함으로써, 불안정성 감소와 속도 선형성 향상을 통한 안정적 고속 이동을 달성하였으며, Adams/View 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 이는 후진 점프를 최소화하고 회전 성능을 향상시켰다.

ABSTRACT

This paper introduces a simulation study of fluid actuated multi-driven closed system as spherical mobile robot called "RollRoller". Robot's mechanism design consists of two essential parts: tubes to lead a core and mechanical controlling parts to correspond movements. Our robot gets its motivation force by displacing the spherical movable mass known as core in curvy manners inside certain pipes. This simulation investigates by explaining the mechanical and structural features of the robot for creating hydraulic-base actuation via force and momentum analysis. Next, we categorize difficult and integrated 2D motions to omit unstable equilibrium points through derived nonlinear dynamics. We propose an algorithmic position control in forward direction that creates hybrid model as solution for motion planning problem in spherical robot. By deriving nonlinear dynamics of the spherical robot and implementing designed motion planning, we show how RollRoller can be efficient in high speed movements in comparison to the other pendulum-driven models. Then, we validate the results of this position control obtained by nonlinear dynamics via Adams/view simulation which uses the imported solid model of RollRoller. Lastly, We have a look to the circular maneuver of this robot by the same simulator.

연구 동기 및 목표

• 진동 기반의 구형 로봇에서의 불안정성과 제한된 속도 문제를 해결하기 위해 새로운 유체 구동 메커니즘을 도입하기 위해.
• 중력 및 토크 반작용 기반의 SMR 설계에서 흔히 발생하는 불안정 평형점 제거를 위해.
• 복합적인 2차원 운동을 제어하기 위해 하이브리드 비선형 역학 기반의 알고리즘적 운동 제어 전략 개발 및 검증을 위해.
• 시뮬레이션을 통해 전진 운동 향상, 후진 점프 억제, 3차원 회전 성능 향상을 입증하기 위해.
• 미래의 비홀로노믹 제어 및 유체 구동 구형 로봇의 속도 안정화를 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 유체 기반 구동을 위한 이동 가능한 coppe r코어를 이동시키기 위한 두 개의 곡면 파이프(전진 및 회전 파이프)를 갖춘 구형 로봇 설계.
• 힘과 운동량 분석을 이용한 비선형 역학 유도를 통해 유압 구동 하에서의 로봇 4-DOF 운동을 모델링.
• 복잡한 2차원 운동을 제어하기 위해 하이브리드 비선형 역학 기반의 알고리즘적 위치 제어 전략 구현.
• 세부적인 실체 모델을 사용한 Adams/View 시뮬레이션을 통해 동역학적 거동과 제어 성능 검증.
• 회전 조작 중 진동을 억제하기 위해 감쇠 및 스프링 계수(10⁴ N·s/m 및 10³ N/m) 통합.
• 제어 알고리즘 유무에 따른 운동 성능 비교를 통해 제어의 영향을 안정성 및 속도 변동성에 대해 분리 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 곡면 파이프 내 유체 구동 핵 이동 메커니즘이 구형 로봇의 불안정 평형점을 제거할 수 있는가?
• RQ2 하이브리드 비선형 역학 기반의 제안된 알고리즘적 제어 전략은 구형 로봇의 전진 이동 안정성과 속도 선형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 펜듈럼 기반 모델에 비해 RollRoller 설계는 고속 운행 중 후진 점프와 속도 변동성을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 고속에서 안정적인 90° 회전을 수행하기 위해 제어 알고리즘이 얼마나 효과적인가?
• RQ5 현재의 시뮬레이션 모델은 유체 구동 구동에서 불완전한 게이트 기하학적 구조로 인한 에너지 손실을 정확히 반영할 수 있는가?

주요 결과

• 제어 알고리즘이 활성화된 상태에서 로봇는 제어 제약 조건 내에서 y축 이동 운동량이 안정적으로 유지되어 최소한의 후진 점프를 동반한 안정적인 전진 운동을 달성하였다.
• 제어 알고리즘 비활성화 시 최대 점프 높이가 t = 1.4초에 3.8 cm에 도달했으며, 이는 제어가 없는 시뮬레이션에서 관측된 21 cm보다 훨씬 낮아, 제어 기능이 꺼진 상태에서의 불안정성을 시사한다.
• 고속 주행 중 회전 시 제어 알고리즘이 일시적인 진동을 감소시키고 선형성을 유지하는 데 기여한 반면, 제어되지 않은 버전은 심각한 진동과 불안정성을 보였다.
• 제어 알고리즘이 활성화된 경우, 더 짧은 시간 내에 더 부드러운 운동으로 90° 회전을 성공적으로 완료하여 동적 안정성 향상을 입증하였다.
• 불완전한 게이트 기하학적 구조로 인한 에너지 손실은 효과적 추진력을 감소시키며, 푸셔의 반작용력이 운동을 억제하고 속도 향상을 제한하는 것으로 관측되었다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 하이브리드 비선형 역학 모델이 로봇의 거동을 효과적으로 캡처함을 확인하였으며, 제어 전략의 실세계 적용 가능성도 검증하였다.