Snake and Snake Robot Locomotion in Complex, 3-D Terrain

要約

ヘビは、細長い体を 3 次元で曲げて地形と相互作用することで、ほぼすべての種類の環境を移動できます。
同様に、ヘビ ロボットは、さまざまな環境で重要なタスクを実行するための有望なプラットフォームです。
推進力と安定性のために、3D ボディの曲げがどのように地形と効果的に相互作用するかを理解することは、ヘビが自然環境をどのように移動するかを知るだけでなく、ヘビ ロボットが同様のパフォーマンスを達成することを可能にします。
スネークやスネークロボットが平面上でどのように動くかはよくわかっています。
しかし、このような理想的な地形は自然環境ではまれであり、3D 地形で推進力を発生させて安定性を維持する方法についてはほとんど理解されていませんでした。ただし、樹上でのヘビの移動と幾何学的計画を使用したロボットに関するいくつかの研究を除きます。
知識のギャップを埋めるために、3 つの代表的な環境で動物実験とロボット研究を統合しました: 大きな滑らかなステップ、大きな高さの変化のブロックの不均一なアリーナ、および大きな隆起。
体が垂直に曲がると、安定性の問題が生じますが、大きな推進力を生み出すことができることがわかりました。
スネーク ロボットは、大きな滑らかなステップを通過するときに、垂直方向の曲げの振幅とともに増加するロールの不安定性に悩まされます。
不安定性は、体と地形の接触を統計的に改善する体のコンプライアンスによって軽減できます。
それにもかかわらず、不均一なアリーナを横断するトウモロコシのヘビによって示されるように、垂直方向の体の曲げは、推進力のためにヘビが地形を押すことを可能にする可能性があります.
スネークロボットは、接触がうまく保たれていれば、このように大きな推進力を生み出すことができます。
接触フィードバック制御は、接触を改善することで、新しい地形ジオメトリや過剰な外力などの摂動に対応するのに役立ちます。
私たちの調査結果は、ヘビとヘビ ロボットが垂直方向の体の曲げを使用して、3D 世界を安定して効率的かつ多目的に横断する方法についての洞察を提供します。

要約(オリジナル)

Snakes can traverse almost all types of environments by bending their elongate bodies in 3-D to interact with the terrain. Similarly, a snake robot is a promising platform to perform critical tasks in various environments. Understanding how 3-D body bending effectively interacts with the terrain for propulsion and stability can not only inform how snakes traverse natural environments, but also allow snake robots to achieve similar performance. How snakes and snake robots move on flat surfaces has been understood well. However, such ideal terrain is rare in natural environments and little was understood about how to generate propulsion and maintain stability in 3-D terrain, except for some studies on arboreal snake locomotion and on robots using geometric planning. To bridge the knowledge gap, we integrated animal experiments and robotic studies in three representative environments: a large smooth step, an uneven arena of blocks of large height variation, and large bumps. We discovered that vertical body bending induces stability challenges but can generate large propulsion. When traversing a large smooth step, a snake robot is challenged by roll instability that increases with the amplitude of vertical bending. The instability can be reduced by body compliance that statistically improves body-terrain contact. Despite this, vertical body bending can potentially allow snakes to push against terrain for propulsion, as demonstrated by corn snakes traversing an uneven arena. A snake robot can generate large propulsion like this if contact is well maintained. Contact feedback control can help accommodate perturbations such as novel terrain geometry or excessive external forces by improving contact. Our findings provide insights into how snakes and snake robots can use vertical body bending for efficient and versatile traversal of the 3-D world stably.

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