MineRobot：地下作業用ロボットの仮想環境における運動学的モデリングと解法の統一フレームワーク

arXiv:2603.22055v1 Announce Type: new 摘要：地下作業用ロボットは、訓練、計画、デジタルツインアプリケーションにおいて仮想環境（VE）で運用されており、ここでは信頼性の高い運動学が危険な現地試行を回避する上で不可欠です。一般的なオープンチェーン産業用マニピュレーターとは異なり、作業用ロボットは線形アクチュエーターで駆動される閉鎖系メカニズムであり、平面上のフォートリンク機構を含むことが多く、これは運動学モデリングおよびリアルタイム解法の両方を困難にします。私たちは、仮想環境における地下作業用ロボットの運動学モデリングと解法のための統合フレームワークである MineRobot を提唱します。まず、MineRobot ロボット記述形式（MRDF）を導入し、これはアクチュエータとループ閉じをネイティブな文脈化を持つ作業用ロボット向けに運動学をパラメタ化するドメイン固有の表現です。次に、フォートサブ構造を一般化された関節に収縮させるトポロジー処理パイプラインを開発し、各アクチュエータに対して独立トポロジ等価パス（ITEP）を抽出し、これらを 4 つの標準的なタイプに分類します。さらに、ITEP の独立性を活用して、タイプごとの解算者をアクチュエータ中心の連続的な前進運動学（FK）パイプラインに構成します。同様の分解に基づき、逆運動学（IK）を境界制約最適化問題として定式化し、アクチュエータ長さ更新を交互に行うガウス - シーデール型の手続きでこれを解きます。結合された閉回路運動学をトポロジー意識的な小さな解法の列に変換することで、このフレームワークはロボット固有の手法導出を避け、効率的な計算をサポートします。実験は、MineRobot が仮想環境アプリケーションに必要なリアルタイムパフォーマンスと堅牢性を提供することを示しています。

arXiv:2603.22055v1 Announce Type: new Abstract: Underground mining robots are increasingly operated in virtual environments (VEs) for training, planning, and digital-twin applications, where reliable kinematics is essential for avoiding hazardous in-situ trials. Unlike typical open-chain industrial manipulators, mining robots are often closed-chain mechanisms driven by linear actuators and involving planar four-bar linkages, which makes both kinematics modeling and real-time solving challenging. We present \emph{MineRobot}, a unified framework for modeling and solving the kinematics of underground mining robots in VEs. First, we introduce the Mining Robot Description Format (MRDF), a domain-specific representation that parameterizes kinematics for mining robots with native semantics for actuators and loop closures. Second, we develop a topology-processing pipeline that contracts four-bar substructures into generalized joints and, for each actuator, extracts an Independent Topologically Equivalent Path (ITEP), which is classified into one of four canonical types. Third, leveraging ITEP independence, we compose per-type solvers into an actuator-centered sequential forward-kinematics (FK) pipeline. Building on the same decomposition, we formulate inverse kinematics (IK) as a bound-constrained optimization problem and solve it with a Gauss--Seidel-style procedure that alternates actuator-length updates. By converting coupled closed-loop kinematics into a sequence of small topology-aware solves, the framework avoids robot-specific hand derivations and supports efficient computation. Experiments demonstrate that MineRobot provides the real-time performance and robustness required by VE applications.