[论文解读] Inclined Surface Locomotion Strategies for Spherical Tensegrity Robots

Lee-Huang Chen, Brian Cera+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2017

Structural Analysis and Optimization参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文提出了一种遥控球形张成结构机器人（TT-4 mini），通过一种新型多缆驱动方案，在最大24°的陡坡上实现了稳健的运动。通过同时驱动多条缆绳，该机器人在速度和攀爬性能方面显著优于单缆驱动，首次在硬件上成功实现了球形张成结构机器人在倾斜表面的稳定运动。

ABSTRACT

This paper presents a new teleoperated spherical tensegrity robot capable of performing locomotion on steep inclined surfaces. With a novel control scheme centered around the simultaneous actuation of multiple cables, the robot demonstrates robust climbing on inclined surfaces in hardware experiments and speeds significantly faster than previous spherical tensegrity models. This robot is an improvement over other iterations in the TT-series and the first tensegrity to achieve reliable locomotion on inclined surfaces of up to 24\degree. We analyze locomotion in simulation and hardware under single and multi-cable actuation, and introduce two novel multi-cable actuation policies, suited for steep incline climbing and speed, respectively. We propose compelling justifications for the increased dynamic ability of the robot and motivate development of optimization algorithms able to take advantage of the robot's increased control authority.

研究动机与目标

• 开发一种能够在陡峭斜坡上实现可靠运动的球形张成结构机器人，这是行星探测中的关键需求。
• 克服单缆驱动的局限性，后者将爬坡能力限制在≤13°且限制了速度。
• 设计并验证多缆驱动策略，以提升攀爬能力与运动速度。
• 为未来张成结构机器人控制策略的优化建立硬件基准。
• 推动使用学习算法实现多缆步态与机器人构型的自主优化。

提出的方法

• 利用模块化弹性格栅原型平台，设计了一种六杆球形张成结构机器人，实现快速组装。
• 实施了一种新颖的双缆驱动方案，结合交替与同步控制策略，以增强动态控制能力。
• 开发了仿真框架，用于分析单缆与多缆驱动下的运动性能，重点关注斜坡表现与速度。
• 在10°与24°斜坡上开展硬件实验，以验证仿真结果并进行性能基准测试。
• 测量了机器人的摩擦系数，估算理论最大爬坡角度为26°，并确定摩擦是主要失效限制因素。
• 通过遥控测试并比较不同驱动策略，性能评估基于平均速度与斜坡穿越成功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 球形张成结构机器人能否通过多缆驱动在超过13°的斜坡上实现稳定运动？
• RQ2 与单缆驱动相比，同步多缆驱动如何提升运动速度？
• RQ3 哪些主要的动态与机械因素使得多缆控制能够提升斜坡攀爬能力？
• RQ4 摩擦在多大程度上限制了机器人攀爬更陡斜坡的能力？是否可通过设计或控制手段缓解？
• RQ5 基于学习的优化算法能否在人类遥控操作的基础上进一步改进多缆驱动策略？

主要发现

• TT-4 mini 成功使用交替双缆驱动攀爬了24°斜坡，创下球形张成结构机器人新纪录。
• 在10°斜坡上，同步双缆驱动使平均速度提升至4.22 cm/s，相比单缆基线的1.96 cm/s提高了115%。
• 机器人的最大爬坡能力受限于摩擦不足，基于实测摩擦系数估算的理论最大爬坡角度为26°。
• 在24°及以上坡度出现的失效原因是滑动，而非失衡，表明材料与表面相互作用是关键设计因素。
• 同步驱动策略实现了更快、更流畅的滚动运动，表明通过缆绳重叠收缩可能进一步提升速度。
• 本研究证明，多缆驱动显著增强了控制能力与动态性能，为人工智能驱动的步态优化铺平了道路。