[論文レビュー] Bio-inspired Adaptive Latching System for Towing and Guiding Power-less Floating Platforms with Autonomous Robotic Boats

Luis A. Mateos|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2020

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、イカのくびれ構造を模倣したボールアンドソケットジョイント機構を用いて、電源のない浮体型プラットフォームを自律的かつ安定的に牽引・誘導できる生物的インスピレーションを受けて設計された適応型ラッチ機構を提案する。このシステムは、受容体を駆動する適応型フラスコと、ダミー・プラットフォームのマスターボールに沿って誘導する機構を備え、狭い運河での安定航行を可能にするために自由度を制限する。アムステルダムの運河およびチャールズ川での屋外での牽引実験が成功裏に実施された。

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.

研究の動機と目的

• 実際の水路環境において、自律的で動的かつ安定的に電源のない浮体型プラットフォームに接続し、誘導することを目的とする。
• 牽引中に水の乱流による影響を受けても、安定した接続を維持し、自由度を制限することを目的とする。
• 電源やセンサを備えない被動型プラットフォームに対しても、安全にドッキング可能な機械的信頼性の高いラッチ機構を開発することを目的とする。
• 適応的剛性制御により、プラットフォームのずれや衝突リスクを低減することで、狭い運河における正確な牽引を可能とすることを目的とする。
• アムステルダムの運河のような複雑な都市型水路を含む、屋内および屋外環境でのシステムの妥当性を検証することを目的とする。

提案手法

• ラッチ機構は、イカの触腕を模倣したボールアンドソケットジョイントを採用し、被動型プラットフォームにマスターボールを、自律的ロボットボートにアクチュエートされた受容体を備える。
• 適応的フレームド・フラスコがマスターボールを受容体に誘導し、精度要件を緩和するとともに、水の乱流によるずれを補償する。
• カメラタグ検出を用いた視覚制御により、ターゲットプラットフォームの姿勢と向きを推定し、正確な接近とラッチを実現する。
• ラッチおよび牽引中のローカライゼーションとナビゲーションを強化するために、3次元LiDAR、RTK GPS、IMU、ステレオカメラを統合する。
• 2つの機能モードを実装：1自由度（対称的駆動）および2自由度（非対称的駆動）、これにより、角度ずれの有無に関わらず制御された牽引が可能となる。
• ラッチプロセスは3段階に分かれる：誘導（視覚ベースのナビゲーション）、ドッキング（フラスコ誘導による挿入）、ガーリング（アクチュエートされたソケットがボールをロックし、球形ジョイントを形成）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的な水路環境下で、最小限の精度要件で自律的ロボットボートが電源のない浮体型プラットフォームに信頼性高くラッチできるか？
• RQ2 ラッチ機構は、狭い運河での漂移や壁衝突を防ぐために、被動型プラットフォームの自由度をいかに効果的に制限できるか？
• RQ3 生物的インスピレーションを受けて設計された適応的フラスコとアクチュエートされたソケットは、ラッチ過程における水の乱流によるずれをどの程度補償できるか？
• RQ4 ロボットボートのセンサとアクチュエータのみを用いて、安定した接続を維持し、被動型プラットフォームを制御的に牽引できるか？
• RQ5 アムステルダムの運河およびチャールズ川のような実際の屋外環境において、システムはどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 相対位置がx方向で900 mm以内、y方向で±40 mm以内、ヨー角が±27.5°以内の範囲にあった場合、ロボットボートは被動型プラットフォームに正常にラッチされ、水の乱流下でも安定した接続が維持された。
• ラッチ後、ピッチおよびロールの振動が≤±1°に抑えられ、ラッチされたプラットフォームの効果的なダンピングと安定化が確認された。
• 2自由度の適応的ラッチシステムにより、ロボットボートと被動型プラットフォームの間で6°の角度ずれを伴う牽引が可能となり、曲がり道での制御された誘導が実証された。
• 屋内プール実験および屋外試験（チャールズ川およびアムステルダムの運河）の両方で、信頼性の高いラッチと牽引が達成された。
• 視覚制御により、被動型プラットフォームにセンサやスラスタを設置することなく正確な姿勢推定とラッチが可能となり、実運用への実現可能性が裏付けられた。