A bio-inspired sand-rolling robot: effect of body shape on sand rolling performance

要約

砂や砂利などの複雑な地形を効果的に移動する能力は、ロボットが屋外環境で堅牢に動作できるようにし、環境監視、検索とレスキュー、供給配信などの重要なタスクを支援することができます。
ライエル・サンショウウオ山の体をループにカールし、効果的に{\リビジョンの丘の斜面}をロールダウンする能力に触発されました。この研究では、サンドローリングロボットを開発し、その運動性能がその体の形状によってどのように支配されるかを調査します。
六角形、四辺形、三角形の3つの異なるボディーシップを実験的にテストしました。
六角形と三角形は、砂のより速いローリング速度を達成できることがわかりましたが、行き詰まるという頻繁な失敗を示すことがわかりました。
ロボットと砂の間の相互作用の分析により、故障メカニズムが明らかになりました。砂の変形により、ロボット接触セグメントの下に局所的な「砂の傾斜」が生成され、ポリゴン（ERSP）を支持する有効な領域が増加し、ロボットがAERSPの外側の中心（COM）をシフトして持続可能なローリングを生成します。
このメカニズムに基づいて、高度に単純化されたモデルは、各ローリング形状の臨界ボディピッチを正常にキャプチャして、砂の持続的なローリングを生成し、運動障害を軽減し、ロボット速度を200ドル以上の改善した情報に基づいた設計適応を生み出しました。
私たちの結果は、機関車がさまざまな形態学的特徴を利用して、変形可能な基質全体で堅牢なローリング運動を達成する方法についての洞察を提供します。

要約(オリジナル)

The capability of effectively moving on complex terrains such as sand and gravel can empower our robots to robustly operate in outdoor environments, and assist with critical tasks such as environment monitoring, search-and-rescue, and supply delivery. Inspired by the Mount Lyell salamander’s ability to curl its body into a loop and effectively roll down {\Revision hill slopes}, in this study we develop a sand-rolling robot and investigate how its locomotion performance is governed by the shape of its body. We experimentally tested three different body shapes: Hexagon, Quadrilateral, and Triangle. We found that Hexagon and Triangle can achieve a faster rolling speed on sand, but exhibited more frequent failures of getting stuck. Analysis of the interaction between robot and sand revealed the failure mechanism: the deformation of the sand produced a local “sand incline” underneath robot contact segments, increasing the effective region of supporting polygon (ERSP) and preventing the robot from shifting its center of mass (CoM) outside the ERSP to produce sustainable rolling. Based on this mechanism, a highly-simplified model successfully captured the critical body pitch for each rolling shape to produce sustained rolling on sand, and informed design adaptations that mitigated the locomotion failures and improved robot speed by more than 200$\%$. Our results provide insights into how locomotors can utilize different morphological features to achieve robust rolling motion across deformable substrates.

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