Den senaste tidens tekniska framsteg har öppnat nya möjligheter för utveckling av robotsystem, inklusive rymdfarkoster för utforskning av andra planeter. Dessa nya system kan i slutändan bidra till vår förståelse av vår galax och de unika egenskaperna hos de många himlakroppar som den innehåller.
Forskare vid RoMeLa, Robotics and Mechanisms Laboratory vid University of California Los Angeles (UCLA), har utformat SPLITTER (Space and Planetary Limbed Intelligent Tether Technology Exploration Robot), ett multirobotsystem för planetarisk utforskning som består av två fyrbenta robotar på under 10 kg som är sammankopplade med en lina.
Deras föreslagna system, som kommer att presenteras vid IEEE Aerospace Conference (AeroConf) 2025, kan hoppa på månens eller asteroidernas yta och samtidigt samla in data från omgivningen. Arbetet är också publicerat på arXiv preprint server.
”Inspirationen till den här studien kom från utmaningarna med förflyttning och attitydkontroll (3D-orienteringskontroll) i miljöer med låg gravitation, t.ex. på månen eller asteroider”, säger Yusuke Tanaka, försteförfattare till artikeln, till Tech Xplore.
”Traditionella rovers är stora, tunga och långsamma, vilket begränsar området och effektiviteten för planetarisk utforskning.
”Luftburna lösningar som drönare kan observera större ytor än rovers, men de är opraktiska på grund av avsaknaden av atmosfär på månen eller asteroiderna. Vårt arbete utforskar ett alternativ – att utnyttja dynamiska, successiva hoppande gångarter i kombination med tröghetsmorfing för stabilitet under flygning.”
Forskarteamet på RoMeLa har tidigare presenterat en klätterrobot med ben, som de kallade SCALER (Spine-enhanced Climbing Autonomous Legged Exploration Robot), som var utformad för planetarisk utforskning.
När de testade roboten upptäckte de dock att den rörde sig långsamt, både när den gick och när den klättrade på ytor. De började därför utforska metoder för att förbättra dess effektivitet utan att drastiskt förändra dess övergripande struktur.
”Det primära målet med den här artikeln var att demonstrera attitydkontroll genom tröghetsmorfing genom att justera trögheten med förändringar i lemkonfigurationer och tetherlängd, vilket gör SPLITTER-roboten till en masseffektiv och skalbar lösning för planetarisk utforskning”, säger Tanaka.
”Vår metod är en av de första (om inte den första) som uppnår attitydkontroll genom tröghetsmorfing med en modellprediktiv styrenhet (MPC).”
I sin nya studie introducerade Tanaka och hans kollegor en mekanism för tröghetsmorfing baserad på en MPC. Denna mekanism reglerar orienteringen av deras robot medan den flyger och förbättrar dess stabilitet.
”Mekanismen för tröghetsmorfing utnyttjar tennisracketteoremet (Dzhanibekov-effekten), som beskriver hur föremål med asymmetrisk tröghet kan uppleva spontana volter när de roterar runt sin mellanaxel”, förklarar Tanaka.
Renderingsbild av SPLITTER under flygning. Kredit: Yusuke Tanaka, Alzin Zhu och Dennis Hong.
”Vår tröghetsmorfingbaserade attitydkontroll använder sig av denna princip för att möjliggöra aggressiv stabilisering av flygstabiliteten i luften på ett kontrollerat sätt.”
I forskarnas artikel beskrivs designen för det nya robotsystemet, som kallas SPLITTER, inklusive de specifikationer för ställdon som krävs för att det ska fungera. Roboten består i huvudsak av två små fyrbenta robotar, så kallade Hemi-SPLITTERs, som är sammankopplade med en lina för att bilda en hantelliknande struktur.
”Robotens lemmar är tillräckligt kraftfulla för att hoppa under reducerad gravitation, men de kräver stabil kontroll mitt under flygningen”, säger Tanaka. ”I stället för att förlita sig på tunga reaktionshjul eller gasdrift för attitydkontroll, ändrar SPLITTER sin tröghet dynamiskt genom att justera längden på linan och positioneringen av sina lemmar.”
Det nya systemet som designats av forskargruppen kan ha flera fördelar jämfört med många tidigare föreslagna robotar för planetutforskning. En av de viktigaste fördelarna är dess masseffektivitet, som eliminerar behovet av särskild hårdvara för attitydkontroll, t.ex. gasdrivraketer, reaktionshjul eller vingar, och förbättrad smidighet.
”Förankringsmekanismen är användbar även för planetarisk utforskning”, säger Tanaka. ”Till exempel kan en Hemi-SPLITTER gå in i en krater eller grotta medan den andra sidan är förankrad i ett stöd. Vår framgångsrika hoppande rörelse är effektiv eftersom den kan lagra hoppenergin i rotationen, vilket innebär att den kan fortsätta att accelerera vid varje hopp.”
SPLITTER-robotens design och den mekanism som ligger till grund för dess förflyttning kan vara särskilt väl lämpad för utforskning av miljöer med låg tyngdkraft. I dessa miljöer har konventionella hjulförsedda robotar visat sig vara ineffektiva, medan flygande robotar inte alltid är lätta att använda.
”Våra resultat visar att SPLITTER kan styra luftrobotens kroppshållning genom tröghetsmorfingteknik med MPC i vår simulering”, säger Tanaka. ”Vi använde MPC för att visa att systemet kan reglera sin vinkelhastighet/orientering och bibehålla stabiliteten utan att det krävs externa krafter eller momentumhjul.”
Forskarna tänker sig att deras robotsystem ska kunna användas som en robotsvärm, som effektivt kan förflytta sig och utforska en vidsträckt och ostrukturerad miljö. Den MPC-baserade tröghetsmorfiska mekanism som de utvecklat skulle potentiellt också kunna tillämpas på andra robotar, liksom på satelliter och rymdfarkoster, för att förbättra deras stabilitet i rymden.
”Vår framtida forskning kommer att fokusera på experiment med SPLITTER i high-fidelity-simulering för att ytterligare validera MPC för tröghetsmorfing, där mer exakt fysiksimulering och robotrörelseanalys är möjlig”, tillade Tanaka. ”Det här dokumentet är en del av Project SPLITTER, vårt grundläggande arbete som undersöker nödvändig teknik för att utveckla SPLITTER-hårdvara.”
För närvarande arbetar RoMeLa-teamet vid UCLA med att ytterligare förbättra robotens hårdvara. De fokuserar till exempel på att utveckla nya ställdon och avkänningsmekanismer för SPLITTER, vilket skulle kunna bredda dess kapacitet.
”Vårt labbs expertis ligger inom benförsedda robotar, främst för markförflyttning på jorden. Det vi har lärt oss under årtionden av forskning för att utveckla dessa system tillämpar vi nu på rymdtillämpningar, vilket återigen innebär en helt ny uppsättning svåra utmaningar.”
Dr Dennis Hong, PI för projektet och chef för RoMeLa, säger till Tech Xplore: ”Med nya utmaningar skapar vi nya lösningar och ny kunskap som gör det här jobbet mer meningsfullt och intressant.”
Mer information om projektet: Yusuke Tanaka et al, Tethered Variable Inertial Attitude Control Mechanisms through a Modular Jumping Limbed Robot, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.10156
