[論文レビュー] The dynamic effect of mechanical losses of transmissions on the equation of motion of legged robots

Youngwoo Sim, João Ramos|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Robotic Locomotion and Control参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、関節の摩擦および効率といった機械的伝達損失が脚式ロボットの全体的なダイナミクスに与える影響を定量化するフレームワークを提示する。慣性行列、コリオリ項および一般化力ベクトルに効率依存の項を組み込んだ運動方程式を拡張することで、低い効率であるほど顕在的エンドエフェクタ慣性が増加し、特に逆駆動状況において静的荷重耐性が向上することを示している。

ABSTRACT

Industrial manipulators do not collapse under their own weight when powered off due to the friction in their joints. Although these mechanism are effective for stiff position control of pick-and-place, they are inappropriate for legged robots that must rapidly regulate compliant interactions with the environment. However, no metric exists to quantify the robot's performance degradation due to mechanical losses in the actuators and transmissions. This paper provides a fundamental formulation that uses the mechanical efficiency of transmissions to quantify the effect of power losses in the mechanical transmissions on the dynamics of a whole robotic system. We quantitatively demonstrate the intuitive fact that the apparent inertia of the robots increase in the presence of joint friction. We also show that robots that employ high gear ratio and low efficiency transmissions can statically sustain more substantial external loads. We expect that the framework presented here will provide the fundamental tools for designing the next generation of legged robots that can effectively interact with the world.

研究の動機と目的

• 機械的伝達損失が全ロボットダイナミクスに与える影響を定量化するための基本的フレームワークの構築を目的とする。
• 脚式ロボットにおける最適な伝達機器の選定のための設計指標の欠如に対処することを目的とする。
• ロボット設計における動的性能と静的荷重耐性の間の体系的トレードオフを可能にすることを目的とする。
• 伝達効率をシステムレベルのダイナミクス（慣性および力能力を含む）に統合する統一的定式化を提供することを目的とする。

提案手法

• 慣性行列、コリオリ項および一般化力ベクトルに機械的効率を組み込んだ拡張された運動方程式を提案する。
• 前向きおよび逆向きのエネルギー流れにおける非対称なダイナミック効果をモデル化するため、前向き駆動および逆向き駆動の一般化慣性テンソル（GIT）を導入する。
• 可能なトルクと接触ヤコビアンの凸包を用いて、非対称力能力（Asymmetric-FC）を定義し、荷重耐性能力を定量化する。
• 前向きおよび逆向きの効率が変化する状況下でフレームワークを検証するため、同一のモーターおよびギアボックスを備えた2自由度平面ロボットモデルを用いる。
• 正規化された力能力およびインパクト低減力（IMF）を計算し、異なる効率レベル間での性能を比較する。
• 冗長または特異な状態においてAsymmetric-FCを計算するために線形プログラミングを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的伝達効率は、ロボットのエンドエフェクタにおける感知慣性にどのように影響するか？
• RQ2 前向きおよび逆向きのエネルギー流れは、ロボットのダイナミックおよび静的挙動にどのように異なる影響を及えるか？
• RQ3 伝達効率は、外部力の抵抗または適用能力にどのように影響するか？
• RQ4 内部摩擦に起因する静的荷重耐性と動的インパクト低減の間のトレードオフは何か？
• RQ5 伝達効率を特定の用途に最適化するための設計パrameterとして用いることができるか？

主な発見

• 摩擦なしの場合と比較して、前方GITおよび逆向きGITの楕円体がより大きくなることから、低い機械的効率であるほどエンドエフェクタにおける顕在的慣性が増加することが示された。
• 前向き効率が0.499に近づくにつれて、逆向きFCは無限大に発散し、逆向きエネルギー流れ下での静的荷重耐性の向上を示している。
• 前向きFCは前向き効率の低下に伴い線形に減少し、アクティブな力生成能力の低下を反映している。
• z軸方向のIMFは効率が低下するにつれて減少し、地面からの衝撃力低減能力の低下を示している。
• 静的荷重耐性（低効率により向上）と動的インパクト低減（低効率により劣化）の間のトレードオフが定量的に示された。
• 本フレームワークにより、静的および動的性能のバランスを取るために伝達効率を調整することで、設計最適化が可能になった。