[논문 리뷰] Design, Simulation, and Testing of a Flexible Actuated Spine for Quadruped Robots

Andrew P. Sabelhaus, Lara Janse van Vuuren외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 18.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 35인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 다각형 로봇 라이카를 위한 텐스그리티 기반의 구동 가능한 척추의 설계, 시뮬레이션 및 하드웨어 검증을 제시하며, 균형 유지를 위한 발 들기 및 보행 시작을 위한 다자유도 운동을 가능하게 한다. 척추는 조절 가능한 케이블 길이와 중심 회전 척추를 통해 굽힘과 비틀림을 구현하며, 고조임 긴장 상태에서 하드웨어 데이터에 캘리브레이션된 시뮬레이션은 발 들기 성능에서 높은 일치도를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 불균형한 지형에서 균형과 이동성을 향상시키기 위해 다각형 로봇을 위한 유연하고 구동 가능한 척추를 개발하는 것.
• 특히 라이카 로봇을 위한 다각형 로봇의 텐스그리티 척추를 위한 기능성 하드웨어 프로토타입을 제작하는 것.
• 물리적 하드웨어 테스트와 시뮬레이션을 통한 척추의 운동 능력 검증.
• 미래의 균형 유지 및 보행 사이클 제어를 위한 시뮬레이션 모델을 하드웨어 데이터로 캘리브레이션하는 것.
• 조절 가능한 굽힘과 회전을 통해 로봇의 네 발을 모두 들 수 있는 능력을 입증하는 것.

제안 방법

• 두 개의 활성 척추(두 번째 및 네 번째)와 축 방향 회전을 위한 중심 구동 회전 척추를 포함한 다섯 개의 척추로 구성된 텐스그리티 구조.
• 철수체 사이의 케이블 길이를 액추에이터로 조절하여 Sagittal 및 Coronal 평면에서 굽힘을 유도.
• 케이블의 예비 긴장을 표현하기 위해 조절 가능한 격자 긴장도를 가진 물리 기반 모델을 사용해 척추의 운동을 시뮬레이션.
• 하드웨어 실험을 통해 척추 작동 중 발 들기 각도와 위치를 측정하고, 이를 시뮬레이션 모델 캘리브레이션에 사용.
• 최고의 긴장 상태를 하드웨어 결과와 일치시켜 시뮬레이션을 캘리브레이션하여 발 A와 D에서 높은 일치도를 달성.
• 발 들기 행동의 차이점은 로봇의 비대칭성, 케이블 기하학, 비평면적 안장 케이블 힘에 기인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 텐스그리티 기반의 구동 가능한 척추가 다각형 로봇에서 균형 유지 및 보행 시작을 위한 개별 발 들기 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 케이블 긴장도의 변화가 시뮬레이션과 하드웨어에서 척추의 발 들기 능력에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 시뮬레이션은 하드웨어의 발 들기 행동을 얼마나 정확히 예측할 수 있으며, 향후 제어를 위해 캘리브레이션 가능할까?
• RQ4 로봇의 비대칭성과 비평면적 케이블 루팅이 발 들기 성능의 이질성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 척추의 병합된 굽힘과 비틀림 운동이 다자유도 발 위치 조절에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 최고 긴장 상태의 시뮬레이션 구성이 하드웨어 결과와 가장 유사했으며, 특히 발 A와 D에서 가장 높은 일치도를 보였고, 이를 시뮬레이션 모델 캘리브레이션에 사용했다.
• 하드웨어에서의 발 들기는 중심 척추의 회전 각도 범위 0.41–0.60 라디안 내에서 발생했으며, 발 A와 D에서 가장 일관된 일치를 보였다.
• 발 B와 C의 시뮬레이션 결과는 하드웨어 결과 범위에 가깝지만 완전히 포함되지는 않았으며, 마찰, 긴장 조절 및 기하학적 단순화로 인한 것으로 보인다.
• 조절 가능한 굽힘과 회전을 통해 척추는 네 발 모두를 성공적으로 들었으며, 균형 유지 및 보행 준비 능력을 입증했다.
• 발 간의 들기 각도와 높이의 차이는 로봇의 앞뒤 비대칭성과 비평면적 안장 케이블 루팅에 기인한다.
• 고긴장도 데이터로 캘리브레이션된 시뮬레이션 모델은 향후 균형 유지 및 보행 제어 전략 개발에 적합하다.