[Preprint] Dynamic Modeling, Gait Synthesis, and Control of a Novel Subsurface Bore Propagator
作者: Lina van Brügge, Shruti Kotpalliwar, Anton Koval, Akshit Saradagi, George Nikolakopoulos
分类: cs.RO
发布日期: 2026-07-01
备注: 8 pages
💡 一句话要点
提出一种新型地下机器人以解决人类无法进入的地下探测问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 地下机器人 动态建模 步态合成 反馈控制 模块化设计 自动化探测 土壤挖掘
📋 核心要点
- 现有的地下探测技术在复杂环境中面临挑战，尤其是人类无法进入的区域。
- 论文提出了一种模块化的地下机器人，结合了蚯蚓的运动和隧道掘进机的挖掘方式，设计了动态模型和反馈控制器。
- 实验结果显示，该机器人在完成三次步态循环后，能够在土壤中推进30毫米，验证了设计的有效性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种模块化的新型地下机器人，旨在实现人类无法进入的地下探测和挖掘。该机器人设计基于两个主要方面：模仿蚯蚓的锚定和推进运动，以及类似隧道掘进机的挖掘方式。设计分为五个独立模块，包括一个钻头用于挖掘和创建传播腔体，两个模块用于锚定机器人，两个模块用于推进机器人的主体。通过使用欧拉-拉格朗日框架开发动态模型，为每个模块设计控制器。实验结果表明，所提出的设计、控制器和步态合成策略能够在完成三次步态循环后，将机器人推进土壤30毫米。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决人类无法进入的地下环境中的探测和挖掘问题。现有方法在复杂地形和人类安全性方面存在不足。
核心思路：论文的核心思路是设计一种模块化的地下机器人，结合蚯蚓的锚定和推进运动，以及隧道掘进机的挖掘方式，以实现高效的地下作业。
技术框架：整体架构分为五个模块：一个钻头用于挖掘，两个模块用于锚定，两个模块用于推进。通过欧拉-拉格朗日框架建立动态模型，并设计集中式状态机进行步态合成。
关键创新：最重要的技术创新在于将不同的运动模块解耦，并通过反馈控制器实现精确的运动控制。这种设计与现有方法的本质区别在于模块化和动态反馈的结合。
关键设计：动态模型的建立基于欧拉-拉格朗日方程，控制器设计采用集中式状态机，确保各模块的协调工作。实验中使用了物理基础的Unity仿真和ROS集成，以验证控制器的性能。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的机器人在完成三次步态循环后，能够在土壤中推进30毫米，验证了设计的有效性和控制策略的可靠性。这一性能相较于现有技术有显著提升，展示了模块化设计的优势。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括地下探测、矿业开采和环境监测等。通过实现人类无法进入区域的自动化探测和挖掘，该技术有望提高地下作业的安全性和效率，推动相关行业的发展。
📄 摘要（原文）
In this article, we present dynamic modeling, gait synthesis, and feedback control design for a modular novel subsurface robot, designed for human-free subsurface exploration and excavation. The subsurface propagator design is based on two major aspects: 1) anchor and propel movement like an earthworm and 2) excavation similar to tunnel boring machines. This design is decoupled into five separate modules: one drill head to excavate and create cavity for propagation, two modules to anchor the robot, and two modules to enable propagation of the body. In order to design a controller for each of the modules, dynamic models using the Euler-Lagrange framework are developed. These mathematical models are used as a baseline to design controlled decoupled operation of the different joint movements. The operation of robotic assembly is constructed via a centralized state machine for gait synthesis with integration of the designed feedback controller. The controllers are tested on the real robot geometry to aid sim-to-real integration: A physics-based Unity simulation using a CAD model of the robot and integration of the trained controller via ROS verifies the performance of the robot. The experimental results demonstrate that the proposed design, controllers and the gait synthesis strategy together are capable of anchoring the robot in place and creating an total advancement of 30\,mm into the soil after completing 3 gait cycles.