[논문 리뷰] Guidance, Navigation and Control of Multirobot Systems in Cooperative Cliff Climbing

Himangshu Kalita, Ravi Teja Nallapu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 26.

Modular Robots and Swarm Intelligence참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 반동 휠과 가시성 잠금 액추에이터를 갖춘 스프링 테더로 연결된 다중 로봇 시스템을 제안하여 저중력 천체의 가파른 절벽과 거친 지형을 등반한다. 잠금 장치를 통해 고정하고 분산 제어를 통해 운영함으로써, 한 로봇이 미끄러져도 안전하고 재구성 가능한 등반을 가능하게 하며, 시뮬레이션을 통해 행성 탐사 임무의 실현 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 로봇이 미끄러짐이나 불안정성으로 인해 실패할 수 있는 저중력 행성 천체에서 자율적인 절벽 등반을 가능하게 하기 위해.
• 팀의 로봇이 동적으로 재구성하고 등반 중 시스템의 무결성을 유지할 수 있도록 분산 제어 전략을 개발하기 위해.
• 스프링 테더로 연결하여 위험을 분산시키고, 한 로봇이 고정을 잃었을 경우 전체 시스템 고장 방지를 위해.
• 네 대의 로봇이 'X' 구성을 이루며 동적 시뮬레이션을 통해 협동 등반의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 로봇는 기울기에서 굴리기, 점프하기, 제어된 운동을 가능하게 하기 위해 반동 휠을 장착한다.
• 각 로봇는 등반 중에 절벽면에 안정적으로 고정되기 위해 가시성 잠금 액추에이터를 사용한다.
• 로봇들은 'X' 구성을 이루며 스프링 테더로 연결되어 기계적 및 제어적 결합을 제공한다.
• 분산 제어 프레임워크를 통해 각 로봇가 독립적으로 이동하면서도 시스템의 안정성과 조율을 유지할 수 있다.
• 로봇 운동, 고정 유지, 미끄러짐 또는 낙하와 같은 실패 시나리오를 모델링하기 위해 동역학 및 제어 시뮬레이션을 사용한다.
• 시스템은 동적으로 재구성 가능하도록 설계되어 있으며, 장애물이나 멈춤 상태를 피하기 위해 여러 경로를 탐색할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반동 휠과 고정 액추에이터를 장착한 네 대의 스프링 테더로 연결된 로봇 팀이 협동적으로 가파르고 거친 절벽면을 성공적으로 등반할 수 있는가?
• RQ2 한 로봇이 미끄러지거나 고정을 잃었을 때 분산 제어 아키텍처는 시스템의 안정성을 어떻게 유지하는가?
• RQ3 스프링 테더링은 절벽 등반 중 위험을 어떻게 분산시키고 전체 시스템 고장을 방지하는 데 기여하는가?
• RQ4 반동 휠과 고정 액추에이터는 저중력, 고경사 표면에서 제어된 운동을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 장애물이나 실패한 동작에 직면했을 때 시스템은 동적으로 재구성되어 대체 경로를 찾을 수 있는가?

주요 결과

• 시뮬레이션 결과는 반동 휠과 고정 액추에이터를 장착한 네 대의 스프링 테더로 연결된 로봇 팀을 이용한 협동 절벽 등반의 실현 가능성을 확인한다.
• 한 로봇이 미끄러져도 나머지 로봇들이 테더를 통해 그를 고정함으로써 시스템은 안정성을 유지하고 전체 고장을 방지한다.
• 분산 제어 접근법을 통해 동적으로 재구성 가능하여 팀이 여러 등반 경로를 탐색할 수 있다.
• 반동 휠의 사용은 위험부담이 큰 표면에서 굴리기, 점프, 서머솜플링과 같은 제어된 이동 방식을 가능하게 한다.
• 스프링 테더 구성은 기계적 응력을 효과적으로 분산시키며 전체 시스템 고장 위험을 감소시킨다.
• 이 방법은 미리그라비티 환경, 예를 들어 소행성과 같이 제어되지 않은 점프로 표면에서 탈출할 수 있는 환경에 특히 적합하다.