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行星探测车以复杂的移动技术来避开陷阱

行星探测车以复杂的移动技术来避开陷阱

火星或月球上起伏的山丘离最近的拖车也很远。这就是为什么下一代探测车需要擅长爬越被松散物质覆盖的山丘,避免在柔软的颗粒表面被困住。

带有轮子的附件,可以举起,轮子可以摆动。一种新的机器人被称为迷你Rover”已经开发并测试了足够强大的复杂移动技术,以帮助它爬上布满这种颗粒状物质的山丘;避免不光彩地被困在遥远的行星或月球上的风险。

研究人员采用了一种复杂的移动方式,并将其命名为“后轮踏板”。该机器人可以通过其独特的设计来结合划桨、行走和车轮旋转运动来爬上斜坡。rover’的行为是使用一个被称为terradynamics的物理学分支建模的。

当松散的材料流动时,会给机器人在其中移动带来问题。乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)物理学院邓恩家族教授丹·戈德曼(Dan Goldman)说。这个漫游者有足够的自由度,可以相当有效地摆脱困境。通过前轮的雪崩材料,它为后轮创造了一个局部的流体山,不像真正的斜坡那么陡峭。

漫游者总是自我产生和自我组织,为自己建一座好山。

这项研究将于2020年5月13日发表在《科学机器人》(Science Robotics)杂志的封面文章上。这项工作得到了NASA国家机器人计划和陆军研究办公室的支持。

行星探测车以复杂的移动技术来避开陷阱

美国国家航空航天局约翰逊航天中心制造的一个机器人具有旋转轮子的能力,它可以用这些轮子清扫地面,并在必要时抬起每个带轮子的附件,创造出广泛的潜在运动范围。佐治亚理工学院的研究人员与约翰逊航天中心合作,利用内部的3D打印机,在一个装有12个不同马达驱动的四轮附件的缩小版飞行器上重现了这些功能。

“漫游者”的开发采用了模块化的机电一体化结构、商用组件和最少数量的零部件。乔治·w·伍德拉夫机械工程学院的本科生席特哈尔特·施里瓦斯塔瓦说。这使得我们的团队能够将机器人作为一个强大的实验室工具,并专注于探索创造性和有趣的实验,而无需担心损坏探测器、服务停机或触及性能限制。

roverr广泛的运动范围使研究小组有机会测试许多变化,这些变化是通过颗粒拖曳力测量和修正的阻力理论来研究的。什里瓦斯塔瓦和物理学院博士研究生安德拉斯·卡尔塞从美国宇航局RP15机器人探索的步态开始,能够试验在大型火星车上无法测试的运动方案。

研究人员还在模拟行星和月球丘陵的斜坡上测试了他们的实验步态,该斜坡采用了一种流化床系统,称为散点(任意地形的系统创建和探索性机器人的测试),可以倾斜以评估控制颗粒基板的作用。Karsai和Shrivastava与goldmans实验室的博士后研究员Yasemin Ozkan-Aydin合作,在散射测试设备中研究了漫游者的运动。

通过创造一个具有类似于RP15漫游者的能力的小型机器人,我们可以在受控的实验室环境中测试各种步态运动的原理。Karsai说。在我们的测试中,我们主要改变了机器人的步态、运动介质和爬坡的角度。我们快速地重复了许多步态策略和地形条件,以检查出现的现象;

在论文中,作者描述了一种步态,使漫游者在前轮搅动颗粒物质的情况下爬上陡坡;用于实验室测试的罂粟种子;把它们推回到后轮。后轮左右摇摆,抬起并旋转,产生一种类似于在水中划桨的运动。推到后轮上的材料有效地改变了后轮必须攀爬的坡度,使漫游者能够平稳地爬上一个可能会让一个简单的轮式机器人停下来的山坡。

这些实验提供了一种不同于goldmans团队早期机器物理学工作的变化,goldmans团队的工作涉及到用腿或脚蹼移动,他们强调尽可能少地干扰颗粒表面以避免机器人被卡住。

行星探测车以复杂的移动技术来避开陷阱

在我们之前以动物为模型的纯腿机器人的研究中,我们发现了不制造混乱的秘密。高盛表示。如果你最终用大多数机器人制造了太多的混乱,你最终只需要划桨和挖掘这些颗粒状的材料。如果你想要快速移动,我们发现你应该通过调整运动参数来尽量保持材料的坚固性。

但事实证明,火星漫游者的简单运动是有问题的,因为它卡在了粒状物质中。戈德曼说,斯里瓦斯塔瓦、卡尔赛和厄兹坎-艾丁发现的步态可能有助于未来的火星漫步者避免这种命运。

如果使用得当,这种举升、旋转和划桨的结合可以使前进的速度即使很慢也能保持一定的速度。高盛说。通过我们的实验室实验,我们已经证明了能够提高行星探测的稳健性的原理;甚至在我们自己的星球上具有挑战性的表面上也是如此。

研究人员希望下一步能将这种不寻常的步态扩展到更大的机器人身上,并探索将机器人和它们的局部环境一起研究的想法。我们愿意把运动物体和它所处的环境看作是一个整体。高盛说。当然也有一些有趣的粒状和软性物质物理问题有待探索。

尽管迷你月球车的设计初衷是研究月球和行星探索,但它所吸取的经验教训也适用于地面移动。该项目的发起人之一——陆军研究实验室对此感兴趣的一个领域。

基础研究揭示了在复杂多变的地形中运动和颗粒侵入的反直觉原理和新方法。陆军研究办公室的项目经理塞缪尔·斯坦顿博士说。该办公室是美国陆军作战能力开发指挥部陆军研究实验室的一个组成部分。这可能会导致新型的、能够感知地形的平台,能够智能地在轮式和腿式运动模式之间转换,以保持高运行速度。

除了上述提到的,研究人员还与美国国家航空航天局的罗伯特·安布罗斯和威廉·布鲁斯曼合作,前往美国国家航空航天局JSC研究了美国国家航空航天局的全尺寸火星车。

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参考文献:对颗粒地形的材料重塑为机器人物理飞行器带来了鲁棒性的好处;Siddharth Shrivastava, Andras Karsai, Yasemin Ozkan Aydin, Ross Pettinger, William Bluethmann, Robert O. Ambrose, Daniel I. Goldman, 2020年5月13日,《科学机器人》。

DOI: 10.1126 / scirobotics.aba3499

这项工作得到了陆军研究办公室(W911NF-18-1-0120)和NASA国家机器人计划(NNX15AR21G)的支持。在本材料中表达的任何观点、发现和结论或建议均为作者的观点,并不一定反映主办机构的观点。

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