[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出RollRoller，一种新型球形移动机器人，通过弯曲管道内流体驱动的芯体位移实现驱动，利用液压驱动实现4自由度运动（前后、侧向、姿态、跳跃）。通过推导非线性动力学并实现一种混合控制算法模型，该机器人实现了稳定、高速的运动，减少了不稳定性并提高了速度线性度，经Adams/View仿真验证，后跳现象显著减少，转向性能得到提升。

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.

研究动机与目标

• 为解决基于摆动驱动的球形机器人存在的不稳定性和速度受限问题，提出一种新型流体驱动机制。
• 消除重力和反扭矩驱动型球形机器人设计中常见的不稳定平衡点。
• 开发并验证一种基于混合非线性动力学的算法化运动控制策略，以提升运动规划性能。
• 通过仿真验证其在前向运动、后跳抑制及3D转向方面的性能提升。
• 为未来流体驱动球形机器人的非完整控制与速度稳定化研究奠定基础。

提出的方法

• 设计一种球形机器人，包含两条弯曲管道（前进管和转向管），用于引导可移动的铜质芯体实现流体驱动。
• 通过受力与动量分析推导非线性动力学方程，以建模液压驱动下机器人在4自由度运动下的行为。
• 基于混合非线性动力学实现一种算法化位置控制策略，以管理复杂的二维运动。
• 使用Adams/View仿真，结合详细实体模型，验证动态行为与控制性能。
• 引入阻尼与刚度参数（10⁴ N·s/m 和 10³ N/m），以抑制转向操作中的振动。
• 对比有无控制算法下的运动性能，以分离算法对稳定性与速度波动的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弯曲管道中，流体驱动的芯体位移机制是否能消除球形机器人的不稳定平衡点？
• RQ2 基于混合非线性动力学的算法化控制策略在多大程度上提升了球形机器人的前向运动稳定性与速度线性度？
• RQ3 与传统摆动驱动模型相比，RollRoller设计在高速运动中对后跳与速度波动的抑制效果如何？
• RQ4 该控制算法在高速下实现稳定90°转向时，是否能有效避免瞬态摆动？
• RQ5 当前仿真模型在准确表征流体驱动执行中因门几何不完美导致的能量损失方面存在哪些局限性？

主要发现

• 当控制算法激活时，RollRoller机器人实现了稳定前向运动，后跳现象极小，y轴平动动量保持在算法约束范围内。
• 算法关闭期间，最大跳跃高度在t = 1.4秒时达到3.8厘米，显著高于无算法仿真中观察到的21厘米，表明控制失效时存在明显不稳定性。
• 在高速转向过程中，算法有效减少了瞬态摆动并维持了运动线性度，而未受控版本则表现出严重振动与不稳定性。
• 当控制算法激活时，机器人以更短时间完成90°转向，且运动更平滑，证明了动态稳定性的显著提升。
• 能量损失因门几何不完美而被观察到，导致有效推进力降低，推杆产生的反作用力会抵消部分运动，限制速度提升。
• 仿真结果证实，所提出的混合非线性动力学模型能有效捕捉机器人的行为，验证了控制策略在实际应用中的可行性。