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标题：Modeling, Gait Sequence Design, and Control Architecture of BADGER Underground Robot
作者：Panagiotis Vartholomeos, Panos Marantos, George Karras, Elisabeth Menendez, Marcos Rodriguez, Santiago Martinez, and Carlos Balaguer
来源： 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA)
编译：张朋浩
审核：Zoe
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本文介绍了BADGER自主井下机器人的动力学建模、步态序列设计和控制结构。BADGER是一种模块化的关节机器人机构，它采用尺蠖仿生运动在土壤中钻孔和推进。用于在地下空间修建小直径曲线隧道的地下钻孔和操纵，不需开放式挖掘。为了设计有效的运动控制策略，采用了基于模型的方法。为此，推导了机器人钻头与环境的物理相互作用的运动学和拉格朗日动力学模型，用于设计尺蠖步态序列和计算实现步态序列轨迹轮廓所需的致动力矩和力。所述运动控制在仿真平台上或使用机器人操作系统(ROS)控制体系结构在实际机器人硬件上执行。通过实验验证了步态序列和运动控制器的正确性，实验中BADGER被命令在井下沿直线运动。在仿真环境中演示了地下三维曲线路径的步态序列。
图3：以6自由度开链机器人为模型，研究了3模块BADGER机器人的运动学参数。
图4：以两个背靠背三自由度开链机器人为模型，研究了三模块BADGER机器人的运动学参数。
表II Denavit-Hartenberg 参数
图5：钻头的广义力{f,m,t}和运动学{v,ω,Ω}。
图8. 机器人BADGER硬件结构：顶图展示了放在地面上的机器人外观。地图展示了机器人位于地下的情形，出于演示目的，钻探结束后，部分地面被挖掘。标签指明了机器人的不同模块
图9. 完整的步态周期设计：两个棱柱关节q1和q4的速度展示
图10. 完整的步态周期设计：关节q1和q4的轨迹
图12. 与模拟数据进行比较，使用真实机器人获得的钻头数据。（顶部）钻头位移。（底部）俯仰和横滚角
Abstract
This paper presents the dynamic modeling, the gait sequence design, and the control architecture of the BADGER autonomous underground robot. BADGER is a modular and articulated robotic mechanism which employs inchworm biomimetic motion to drill and propel within the soil. It is used to drill and manoeuvre in the subsurface for building curved tunnels of small diameter in underground spaces, without the need for open-cut excavation. In order to design efficient motion control strategies, a model-based approach is followed. To this end, the kinematic and the lagrangian dynamic models are derived, which take into account the physical interaction of the robot drill-head with the environment, and are used for designing the inchworm gait sequence and for calculating the actuation torques and forces required to realise the trajectory profiles of the gait sequence. The motion control is executed on a simulation platform or on the actual robot hardware using a Robot Operating System (ROS) control architecture. The gait sequence and the motion controller are validated though an experiment where the BADGER is commanded to drill and follow a straight line path in the underground. The gait sequence for following a generic 3D curvilinear path in the underground is demonstrated in a simulation environment.
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