[论文解读] Enhancing the Vertical Mobility of a Robot Hexapod Using Microspines

Matt Martone, Catherine Pavlov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2019

Robotic Locomotion and Control参考文献 28被引用 10

一句话总结

本文提出T-RHex，一种通过将微爪足集成到其顺应性RHex式腿部中的六足机器人，使其能够攀爬最高达55°倾斜度的表面，并在最大45°的悬垂面上实现静态悬挂，同时保持高效的地面移动能力。该设计利用了现有的腿部顺应性与增材制造技术，简化了微爪的制造过程，实现了无需牺牲平坦地形上的速度或稳定性的双重用途移动能力。

ABSTRACT

Modern climbing robots have risen to great heights, but mechanisms meant to scale cliffs often locomote slowly and over-cautiously on level ground. Here we introduce T-RHex, an iteration on the classic cockroach-inspired hexapod that has been augmented with microspine feet for climbing. T-RHex is a mechanically intelligent platform capable of efficient locomotion on ground with added climbing abilities. The legs integrate the compliance required for the microspines with the compliance required for locomotion in order to simplify the design and reduce mass. The microspine fabrication is simplified by embedding the spines during an additive manufacturing process. We present results that show that the addition of microspines to the T-RHex platform greatly increases the maximum slope that the robot is able to statically hang on (up to a 45 degree overhang) and ascend (up to 55 degrees) without sacrificing ground mobility.

研究动机与目标

• 在不损害其地面移动能力的前提下，提升六足机器人的垂直移动能力。
• 解决现有微爪机器人中攀爬性能与移动能力之间的权衡问题。
• 通过增材制造技术，将微爪集成到机械智能的顺应性腿部设计中，以简化制造过程。
• 通过步态适应与传感性能提升，实现自主墙面攀爬，特别是在地面到墙面过渡阶段。
• 在包括混凝土、砖块和树皮在内的多种真实表面材料上验证平台性能。

提出的方法

• T-RHex平台采用改进的RHex六足机器人，配备六条单自由度顺应性腿部，由Dynamixel MX-64电机驱动。
• 微爪足通过在增材制造过程中直接嵌入丙烯酸材料中制造，避免了复杂的后处理工序。
• 利用腿部顺应性实现运动稳定性与微爪抓附的双重功能，减少了对额外柔性结构的需求。
• 微爪朝向后方设计，以避免与前进步态产生干扰，从而可将后向步态空间用于攀爬。
• 增加轻量化、可驱动的攀爬尾部，通过将前腿压向墙面来增强攀爬时的附着力。
• 机器人在测试中采用单一开环步态，未来工作将通过扭矩传感及视觉/惯性反馈实现自适应控制，以支持自主过渡。

实验结果

研究问题

• RQ1 微爪能否有效集成到顺应性RHex式六足机器人中，实现在不降低地面移动性能的前提下攀爬？
• RQ2 现有腿部顺应性与微爪设计的结合，如何影响在真实世界表面的攀爬性能？
• RQ3 单一腿部设计在多大程度上可同时支持平坦地面的动态行走与垂直或倒挂表面的静态悬挂？
• RQ4 基于微爪附着的机器人在天然与人工材料表面可实现的最大倾斜角与悬垂角是多少？
• RQ5 机器人能否通过机载传感与自适应步态控制，自主完成从行走到攀爬的过渡？

主要发现

• T-RHex在具有有利凸起结构的表面（如纹理混凝土和树皮）上实现了最大135°的静态附着角度，对应45°悬垂。
• 该机器人成功攀爬了最高达55°倾斜度的表面，证明其在粗糙天然材料上微爪的有效抓附能力。
• 在平坦路面上，T-RHex的平均速度为0.24 m/s，略低于标准Edubot腿部的0.27 m/s，但步态直线性更优。
• 在非结构化岩石地形中，T-RHex的平均速度为0.16 m/s，相比Edubot腿部的0.20 m/s，在稳定性和控制性方面表现更优。
• 该机器人在多种表面（包括空心砖、布质公告板、软垫墙面及梧桐树皮）上均表现出可靠的静态附着能力。
• 微爪的集成未影响前进步态的行走性能，证实了该设计在不同移动模式下的双重功能性。