Luontoa jäljittelevän pallorobotin kehittäminen planeettatutkimukseen

Planeetoille suuntautuvat tutkimusmatkat tähtäävät usein maaperänäytteiden keräämiseen ja tutkimiseen, usein myös näytteiden palauttamiseen Maahan tarkempia tutkimuksia varten. Äskettäiset Marsiin suuntautuneet robottimissiot ovat osoittaneet liikkuvien robottien kyvyn suorittaa tutkimustehtäviä. Vieraalla planeetalla robotin liikkumiskyky on tarpeen tutkittavan alueen laajentamiseksi ja tutkimusten kohdentamiseksi haluttuihin tieteellisesti kiinnostavimpiin kohteisiin. Luonnon kehittämiä ratkaisuja jäljittelevä liikkumistapa saattaa tarjota liikkuvalle robotille nykyisiä parempaa mukautumis- ja viansietokykyä. Tämä tutkimustyö etsii luonnosta uusia innovaatioita ja tähtää uudenlaisten joustavien ja tehokkaiden liikkumistapojen kehittämiseen liikkuville roboteille. Erityisesti työ keskittyy pallomaisen, aro-ohdakkeen mukaan englanniksi 'Thistle':ksi nimetyn, robotin määrittelyyn ja alustavaan kehitystyöhön. Tutkimus käsittelee myös keinoja hyödyntää liikkumisessa Marsin paikallisia energialähteitä, kuten tuuli- ja lämpöenergiaa. Useita erilaisia energiankeruutapoja esitellään ja arvioidaan. Vaikka kaikki tutkitut konseptit eivät heti vaikuta toteuttamiskelpoisilta, on ne kuitenkin esitelty mitään pois jättämättä, jotta ne voisivat olla innoittajina tuleville uusille asiaan liittyville tutkimuksille.Planetary exploration missions often aim to carry out in-situ analysis and possibly return samples to Earth for more thorough examination. Recent robotic missions to Mars have demonstrated effectiveness of robotic exploration of planetary surface. Purpose of a mobile robot on planet surface is to enlarge the area to be investigated, and to concentrate investigations on subjects with most scientific interest. The application of biomimetic locomotion to the Martian surface offers the possibility of increased robustness and failure tolerance of a mobile robot. This study searches for new innovations from nature and aims to develop a novel system to provide robust and efficient locomotion system to be used for exploring surface of foreign planets. Especially this work describes definition and conceptual development of a rolling robot -later called 'The Thistle' mimicking a Russian Thistle -plant. The study considers locomotion and power generation methods that would utilize local power generation resources like wind or heat. This study involves the identification and conceptual development of innovative concepts for planetary surface locomotion and energy collection. Several concepts are presented and evaluated. Considering nature of the study, although evaluation reveals some concepts probably not adequate, these are not removed from the thesis, but are left here for the interest and further inspiration of the reader

Dynamic Obstacle Overcoming Capability of Pendulum-driven Ball-Shaped Robots

This paper discusses dynamic step-crossing capability of pendulum-driven ball-shaped robots. We introduce an extended dynamic model that allows modeling of ballrobot rolling, bouncing and slipping. Based on the new model, our simulations predict the maximum over-passable step-height for the robot. The simulation results agree well with the result from a parallel simulation in Adamssoftware as well as with practical experiments. The new dynamic model can be applied for mobility analysis of robot-ball designs as well as for path planning.Peer reviewe

Gyroscopic Precession In Motion Modelling Of Ball-Shaped Robots

This study discusses kinematic and dynamic precession models for a rolling ball with a finite contact area and a point contact respectively. In literature, both conventions have been applied. In this paper, we discuss in detail the kinematic and dynamic models to describe the ball precession and the radius of a circular rolling path. The kinematic model can be used if the contact area and friction coefficient are sufficient to prevent slippage. The dynamic precession model has significance in multi-body simulation environments handling rolling balls with ideal point contacts. We have applied both the kinematic and dynamic precession model to evaluate the no-slip condition of the existing GimBall-robot. According to the result, the necessity of an external precession torque may cause slipping at lower velocities than expected if ignoring this torque.Peer reviewe

Unified Representation Of Decoupled Dynamic Models For Pendulum-Driven Ball-Shaped Robots

Dynamic models describing the ball-robot motion form the basis for developments in ball-robot mechanics and motion control systems. For this paper, we have conducted a literature review of decoupled forward-motion models for pendulum-driven ball-shaped robots. The existing models in the literature apply several different conventions in system definition and parameter notation. Even if describing the same mechanical system, the diversity in conventions leads into dynamic models with different forms. As a result, it is difficult to compare, reproduce and apply the models available in the literature. Based on the literature review, we reformulate all common variations of decoupled dynamic forward-motion models using a unified notation and formulation. We have verified all reformulated models through simulations, and present the simulation results for a selected model. In addition, we demonstrate the different system behavior resulting from different ways to apply the pendulum reaction torque, a variation that can be found in the literature. For anyone working with the ball-robots, the unified compilation of the reformulated dynamic models provides an easy access to the models, as well as to the related work.Peer reviewe

Heiluriohjatun pallorobotin liikkumiskyky ja sen mallintaminen:erotellut mallit pallon ohjauksessa ja esteenylityksessä

During the last two decades, mobile ball-shaped robots have gained an increasing interest among researchers, mathematicians, robot engineers, and public. Ball-robot provides an interesting research case to study rolling kinematics, advanced modelling and control problems, as well as interaction and communications between humans and mobile robots. While the first patents on self-propelled spherical toys were filed already in the end of the 19th century, commercial spherical robots have been lately introduced in the market for surveillance, entertainment, and gaming applications. The motivation behind this study anticipates a domestic rolling robot providing observation and surveillance at home or in industrial environment. In development of a ball-robot, dynamic modelling is essential in evaluation and prediction of robot performance, as well as in controller development, path planning, and decision making. This thesis studies decoupled forward rolling models and steering models of pendulum-driven ball-shaped robots. Customarily, a decoupled steering model assumes between the ball and rolling plane a point contact and restricted ball spinning, which leads to a kinematic motion model. Considering ball-robot inertia and non-symmetry, this thesis introduces a new dynamic precession model and compares the simulated rolling paths of the dynamic and kinematic steering models. In addition, another new dynamic precession model is presented to consider a non-zero contact area and to evaluate the conditions where no-spinning constraint is applicable. Regarding the forward motion model, this work collects the decoupled models available in the literature and reformulates them with a unified notation and formulation. The unified presentation allows easy comparison and application of the existing models. A detailed discussion is dedicated for the application of pendulum motor reaction torque within different model formulations. To design a spherical robot to surpass obstacles it may encounter during its operation, there exists a need to estimate the dynamic step-overcoming capability of the robot. Customarily, a quasi-static analysis has been conducted to evaluate the slope-climbing and step-crossing capability of a ball-shaped robot, but this approach seriously underrates the robot's dynamic step-crossing capability. This work introduces new simplified contact models for rigid-shelled and flexible-shelled ball-robots when in contact with a step-shaped obstacle. The contact models are implemented together with the decoupled forward rolling model, and the robot's step-overcoming capability is evaluated through simulations. The simulation results are validated with practical step-overcoming tests on free-rolling and pendulum-driven balls.Kuluneen runsaan kahdenkymmenen vuoden aikana pallonmuotoiset liikkuvat robotit ovat herättäneet kasvavaa kiinnostusta niin tutkijoiden, matemaatikkojen, insinöörien kuin yleisönkin keskuudessa. Pallorobotti sovelluksineen tarjoaa mielenkiintoisen ja haastavan tutkimuskohteen, mihin sisältyy muun muassa vierivän kappaleen kinematiikkaa ja dynamiikkaa, systeemin mallintamista, säätöteoriaa, sekä ihmisen ja robotin välistä vuorovaikutusta. Tämän tutkimuksen innoittajana toimii visio kotioloissa toimivasta pallonmuotoisesta seura- ja valvontarobotista, jonka suunnittelussa ja ohjaamisessa tarvittavia malleja ja menetelmiä työssä tutkitaan. Pallorobotin liikettä kuvaavat dynaamiset mallit ovat tarpeellisia robottien kehitystyössä, robotin suorituskyvyn arvioinnissa, säätöalgoritmien määrittämisessä sekä radansuunnittelussa. Tässä työssä tutkitaan heiluriohjatun pallorobotin eroteltuja vierintä- ja ohjausmalleja. Erotellut vierintä- ja ohjausmallit eroavat täydestä mallista siten, että eteenpäin vievää vierintäliikettä sekä pallon vierintäsuuntaa muuttavaa ohjausliikettä tutkitaan toisistaan erillään ja riippumattomina. Tällä menettelyllä saatavat dynaamiset mallit ovat yksinkertaisempia, kuin täyteen malliin liittyvät. Kirjallisuudessa usein esitetty pallorobotin eroteltu ohjausmalli olettaa pistemäisen kosketusgeometrian pallon ja sen vierintätason välille. Tämän lisäksi pallon pyörimisnopeus vertikaalin akselin ympäri usein asetetaan nollaksi, minkä seurauksena pallon vierintärata on kinemaattisesti määrätty. Uutena lähestymistapana tämä työ esittelee dynaamisen ohjausmallin, joka huomioi pallon inertian ja mahdollisesti epäsymmetrisen massan jakauman. Toinen uusi esiteltävä malli sisältää pistemäisen kosketuksen sijasta nollaa suuremman kosketuspinta-alan. Tämän mallin avulla tutkitaan niitä ehtoja, millä pallon spin-nopeus voidaan olettaa nollaksi. Useat erilaiset kirjallisuudesta löytyvät erotellut vierintäliikkeen mallit kerätään tässä työssä yhteen ja harmonisoidaan esitysasun sekä merkintöjen suhteen yhtenäisiksi. Näin on helpompaa vertailla näitä malleja keskenään ja jatkossa myös helpompaa soveltaa kulloiseenkin tarkoitukseen parhaiten sopivaa mallia. Kotioloissakin liikkuvan pallorobotin on kyettävä ylittämään tavallisimpia vastaantulevia esteitä, kuten ovien kynnyksiä sekä mattojen reunoja. Näin jo robottia suunniteltaessa on tarpeen pystyä arvioimaan sen tulevaa esteenylityskykyä. Perinteisesti pallorobotin liikkumiskykyä on arvioitu kvasistaattisen tasapainon kriteerillä, mikä kuitenkin vakavasti aliarvioi robotin todellista dynaamista esteenylityskykyä. Tämä työ esittelee uusia yksinkertaistettuja kontaktimalleja niin jäykkäkuorisen kuin pehmeäkuorisenkin pallorobotin ja askeleenmuotoisen esteen välille. Mallien pätevyyttä arvioidaan simuloiden sekä kokeellisesti