[論文レビュー] Design, Simulation, and Testing of a Flexible Actuated Spine for Quadruped Robots

Andrew P. Sabelhaus, Lara Janse van Vuuren+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Robotic Locomotion and Control参考文献 35被引用数 19

ひとこと要約

本論文では、四足歩行ロボットLaika用のテンスグリティ構造を用いたアーマチュア付き背骨の設計、シミュレーション、ハードウェア検証を提示している。この背骨により、バランス維持および歩行開始のための多自由度運動による足の持ち上げが可能となった。背骨は可変なケーブル長と中心部の回転可能背骨を用い、曲げとねじりを実現しており、高張力状態におけるラティス張力の下で、シミュレーションとハードウェアデータの両方が、足の持ち上げ性能において良好な一致を示した。

ABSTRACT

Walking quadruped robots face challenges in positioning their feet and lifting their legs during gait cycles over uneven terrain. The robot Laika is under development as a quadruped with a flexible, actuated spine designed to assist with foot movement and balance during these gaits. This paper presents the first set of hardware designs for the spine of Laika, a physical prototype of those designs, and tests in both hardware and simulations that show the prototype's capabilities. Laika's spine is a tensegrity structure, used for its advantages with weight and force distribution, and represents the first working prototype of a tensegrity spine for a quadruped robot. The spine bends by adjusting the lengths of the cables that separate its vertebrae, and twists using an actuated rotating vertebra at its center. The current prototype of Laika has stiff legs attached to the spine, and is used as a test setup for evaluation of the spine itself. This work shows the advantages of Laika's spine by demonstrating the spine lifting each of the robot's four feet, both as a form of balancing and as a precursor for a walking gait. These foot motions, using specific combinations of bending and rotation movements of the spine, are measured in both simulation and hardware experiments. Hardware data are used to calibrate the simulations, such that the simulations can be used for control of balancing or gait cycles in the future. Future work will attach actuated legs to Laika's spine, and examine balancing and gait cycles when combined with leg movements.

研究の動機と目的

• 不規則な地形におけるバランスと歩行を向上させるために、四足歩行ロボット用の柔軟性がありアーマチュア付きの背骨を開発すること。
• 特にLaikaロボット用に、テンスグリティ背骨の動作するハードウェアプロトタイプを構築すること。
• 物理的ハードウェアテストとシミュレーションの両方を用いて、背骨の運動能力を検証すること。
• 将来的なバランス制御および歩行サイクル制御のため、ハードウェアデータを用いてシミュレーションモデルをキャリブレーションすること。
• 協調的な曲げと回転により、ロボットの4本の足をそれぞれ持ち上げられる能力を実証すること。

提案手法

• 背骨は5個の背骨部からなるテンスグリティ構造であり、2番目と4番目の背骨がアクチュエータで駆動され、中心部の回転可能でアクチュエート可能な背骨が軸方向回転を実現する。
• 背骨間のケーブル長をアクチュエータで調整することで、矢状面および冠状面における曲げを誘発する。
• 物理ベースのモデルを用いて背骨の運動をシミュレーションし、ケーブルの初期張力の表現として調整可能なラティス張力を導入する。
• ハードウェア実験では、背骨駆動時の足の持ち上げ角度と位置を測定し、そのデータをシミュレーションモデルのキャリブレーションに使用する。
• 最高張力状態のシミュレーションをハードウェア結果と一致させることで、シミュレーションをキャリブレーションし、足AとDについて良好な一致が得られた。
• 足の持ち上げ行動の差異は、ロボットの非対称性、ケーブルの幾何学的配置、および非平面的なサドルケーブル力に起因するとされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テンスグリティ構造を用いたアーマチュア付き背骨は、バランス維持および歩行開始のための個々の足の制御された持ち上げを可能にするか？
• RQ2 ケーブル張力の変化が、シミュレーションおよびハードウェアにおける足の持ち上げ能力にどのように影響するか？
• RQ3 シミュレーションはハードウェアの足持ち上げ行動をどれほど正確に予測できるか？また、将来的な制御のためのキャリブレーションは可能か？
• RQ4 ロボットの非対称性および非平面的なケーブル経路は、足の持ち上げ性能の差異にどのような役割を果たすか？
• RQ5 背骨の曲げとねじりの組合せ運動が、多自由度の足位置決めにどのように寄与するか？

主な発見

• 最高張力状態のシミュレーション設定が、ハードウェア結果と最も一致し、特に足AとDについて使用されてシミュレーションモデルのキャリブレーションに用いられた。
• ハードウェアにおける足の持ち上げは、中心背骨の回転角度が0.41〜0.60ラジアンの範囲で発生し、特に足AとDで最も一貫した一致が得られた。
• 足BとCのシミュレーション結果は、ハードウェア範囲に近くはあったが完全には一致せず、摩擦、張力調整、幾何学的簡略化の影響が考えられる。
• 協調的な曲げと回転により、背骨は4本の足をすべて持ち上げることができ、バランス維持および歩行準備の能力を実証した。
• 足ごとの持ち上げ角度と高さの差異は、ロボットの前後非対称性および非平面的なサドルケーブル経路に起因するとされた。
• 高張力データでキャリブレーションされたシミュレーションモデルは、将来的なバランス制御および歩行制御戦略の開発に適している。