[論文レビュー] Dynamical Behavior Investigation and Analysis of Novel Mechanism for Simulated Spherical Robot named "RollRoller"

Seyed Amir Tafrishi, Sándor M. Veres+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2016

Control and Dynamics of Mobile Robots参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、曲がったパイプ内の流体駆動型コア移動により駆動される、新規の球形移動ロボット「RollRoller」を提案する。このロボットは水圧駆動により4自由度（前後、横方向、姿勢、ジャンプ）の運動を実現する。非線形力学的モデルを導出し、アルゴリズム的ハイブリッド制御モデルを実装することで、不安定性が低減され、速度の線形性が向上した安定した高速走行を達成した。アダムズ/ビューを用いたシミュレーションにより、逆ジャンプが最小限に抑えられ、旋回性能が向上したことが検証された。

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.

研究の動機と目的

• ペダル駆動型球形ロボットにおける不安定性と速度制限を解消するため、新規の流体駆動機構を導入すること。
• 重力およびトルク反動に基づくSMR設計に共通する不安定な平衡点を排除すること。
• ハイブリッド非線形力学に基づくアルゴリズム的運動制御戦略の開発と検証を通じて、より優れた運動計画を実現すること。
• シミュレーションを用いて、前進運動の向上、逆ジャンプの抑制、3次元旋回性能の向上を実証すること。
• 今後の非ホロノミック制御および速度安定化のための、流体駆動型球形ロボットの基盤を構築すること。

提案手法

• 流体駆動によるアクチュエーションを可能とするために、前進用および旋回用の2本の曲がったチューブを備えた球形ロボットの設計。
• 力および運動量解析を用いた非線形力学的モデルの導出により、水圧駆動下でのロボットの4自由度運動をモデル化。
• 複雑な2次元運動を制御するため、ハイブリッド非線形力学に基づくアルゴリズム的位置制御戦略の実装。
• 詳細なソリッドモデルを用いたアダムズ/ビューを用いたシミュレーションにより、動的挙動および制御性能の検証。
• 旋回時の振動を抑制するため、ダンピングおよび剛性パラメータ（10⁴ N·s/m および 10³ N/m）を組み込み。
• 制御アルゴリズムの有無による運動性能の比較を通じて、安定性および速度フラクチュエーションに与える影響を分離して分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 曲がったパイプ内での流体駆動型コア移動機構は、球形ロボットにおける不安定な平衡点を排除できるか？
• RQ2 ハイブリッド非線形力学に基づく提案されたアルゴリズム的制御戦略は、球形ロボットの前進走行における安定性および速度の線形性をどのように向上させるか？
• RQ3 従来のペダル駆動型モデルと比較して、RollRollerの設計は高速走行時の逆ジャンプおよび速度のフラクチュエーションをどの程度低減するか？
• RQ4 制御アルゴリズムは、過渡的なスイングを伴わず、高速での90°旋回を安定して実現できるか？
• RQ5 現在のシミュレーションモデルは、流体駆動アクチュエーションにおける不完全なゲートジオメトリの影響によるエネルギー損失を正確に表現できているか？

主な発見

• 制御アルゴリズムが有効な状態では、y軸方向の並進運動量がアルゴリズムの制約内に収束し、逆ジャンプが最小限に抑えられた安定した前進走行が達成された。
• 制御アルゴリズムを無効化した際、t = 1.4秒に最大ジャンプ高さが3.8 cmに達した一方で、アルゴリズムなしのシミュレーションでは21 cmのジャンプが観測された。制御がオフの状態では著しく不安定であることが示された。
• 高速旋回時、制御アルゴリズムにより過渡的なスイングが低減され、速度の線形性が維持された。一方、制御なしのバージョンでは深刻な振動と不安定性が観測された。
• 制御アルゴリズムが有効な場合、より短時間で滑らかな運動で90°旋回を完了した。これは動的安定性の向上を示している。
• 不完全なゲートジオメトリによるエネルギー損失が、有効な推進力を低下させることを観測。プッシュャーからの反力が運動を妨げ、速度の増加を制限した。
• シミュレーション結果により、提案されたハイブリッド非線形力学モデルがロボットの挙動を効果的に捉えており、実世界への実装に向けた制御戦略の妥当性が裏付けられた。