[論文レビュー] Kirin: A Quadruped Robot with High Payload Carrying Capability

Yueheng Zhou, Ming Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2022

Robotic Locomotion and Control被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、高積載能力を実現するための直線形クアサイドレクトドライブ（QDD）脚機構を備えた50 kgの電気的駆動式四足歩行ロボット「Kirin」を提案する。機械的設計、アクチュエータのパrameter最適化、歩行制御の統合により、Kirinはステティックな状態で125 kg、トロッティング走行時で50 kgの積載を達成し、従来のアーチレートドニークルージョンを備えた設計に比べて優れた積載能力を示した。

ABSTRACT

The quadruped robot is a versatile mobile platform with potential ability for high payload carrying. However, most of the existing quadruped robots aim at high maneuverability, highly dynamic and agile locomotion. In spite of this, payload carrying is still an indispensable ability for the quadruped robots. Design of a quadruped robot with high payload capacity is yet deeply explored. In this study, a 50 kg electrically-actuated quadruped robot, Kirin, is presented to leverage the payload carrying capability. Kirin is an characterized with prismatic quasi-direct-drive (QDD) leg. This mechanism greatly augments the payload carrying capability. This study presents several design principles for the payload-carrying-oriented quadruped robots, including the mechanical design, actuator parameters selection, and locomotion control method. The theoretical analysis implies that the lifting task tends to be a bottleneck for the existing robots with the articulated knee joints. By using prismatic QDD leg, the payload carrying capability of Kirin is enhanced greatly. To demonstrate Kirin's payload carrying capability, in preliminary experiment, up to 125 kg payload lifting in static stance and 50 kg payload carrying in dynamic trotting are tested. Whole body compliance with payload carrying is also demonstrated.

研究の動機と目的

• 四足歩行ロボットの潜在的な積載能力にもかかわらず、高積載能力に関する研究が不足しているという問題に取り組むこと。
• 既存のロボットに見られるアーチレートドニークルージョンが積載能力を制限する機械的ボトルネックを克服すること。
• 革新的な機械的および制御戦略を用いて、高積載性能に特化した四足歩行ロボットの設計を開発すること。
• 静的および動的条件下での実験的評価を通じて、積載能力の妥当性を検証すること。

提案手法

• 力伝達効率と積載能力の向上を目的とした直線形クアサイドレクトドライブ（QDD）脚機構の設計。
• リフト性能と機械的アドバンテージの理論的分析に基づくアクチュエータパrameterの選定。
• 積載状態での安定性を維持するためのボディ全体のコンプライアンス制御の実装。
• 静的および動的な歩行実験を用いて積載性能を評価。
• アーチレートドニークルージョンが積載リフトにおいて性能ボトルネックであることを特定するための理論的モデリング。
• 機械的設計と制御戦略を統合し、荷重耐性の効率を最大化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直線形QDD脚機構は、従来のアーチレートドニークルージョンに比べて、どのように積載能力を向上させるか？
• RQ2 四足歩行ロボットにおける積載性能を最大化するための機械的およびアクチュエータ設計原則は何か？
• RQ3 提案された設計によって達成可能な静的および動的積載能力の上限は何か？
• RQ4 ボディ全体のコンプライアンスは、積載状態での安定性にどのように寄与するか？
• RQ5 理論的分析は、既存の四足歩行ロボットにおける性能ボトルネックをどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• Kirinは最大125 kgの静的積載リフト能力を達成し、直線形QDD脚機構の有効性を実証した。
• ロボットは動的トロッティング歩行中に50 kgの積載を成功裏に実行し、運動状態下での頑健性を確認した。
• 理論的分析により、アーチレートドニークルージョンが機械的アドバンテージの低下により、積載リフトにおける主要なボトルネックであることが特定された。
• 直線形QDD脚設計は、力伝達を顕著に向上させ、従来の設計に比べて高い積載能力を実現した。
• 積載状態下でもボディ全体のコンプライアンスが適切に維持され、安定性と適応性が確保された。
• 本研究は、機械的アーキテクチャとアクチュエータ選定を含む、積載指向の四足歩行ロボット設計の原則を確立した。