[논문 리뷰] Elastic energy storage of spring-driven jumping robots

J.T. Lo, Ben Parslew|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 03.

Robotic Locomotion and Control인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스프링 구동 점프 로봇에서 마름모꼴 연결장치-스프링 시스템의 일반화된 에너르티크스 분석을 제시하며, 마름모꼴 연결장치의 대각선에 수평 이송 스프링을 조합함으로써 이상적인 일정력 스프링에 가까운 특성을 구현함으로써 기존 설계 대비 최대 160% 더 많은 탄성 에너지를 저장함으로써 주어진 모터 힘에 비해 점프 높이를 크게 향상시킴을 입증한다.

ABSTRACT

Spring-driven jumping robots use an energised spring for propulsion, while the onboard motor only serves as a spring-charging source. A common mechanism in designing these robots is the rhomboidal linkage, which has been combined with linear springs (spring-linkage) to create a nonlinear spring, thereby increasing elastic energy storage and jump height for a given motor force. The effectiveness of this spring-linkage has been examined for individual designs, but a generalised design theory of this class of system remains absent. This paper presents an energetics analysis of the spring-linkage and provides insight into designing an ideal constant force spring, which stores the maximum energy for a given motor force. A quasi-static analysis shows that the force-displacement relationship of the spring-linkage changes with the orientation and type of the spring, but is independent of the linkage scale. Combining different types and orientations of springs within the linkage enables higher elastic energy storage than using single springs. Placing two translational springs at the diagonals of the rhomboidal linkage creates an ideal spring that could increase the jump height of prior robots by 50-160%.

연구 동기 및 목표

• 모터의 출력 및 속도 제약로 인한 스프링 구동 점프 로봇의 탄성 에너지 저장 한계를 해결하기 위해.
• 기계-탄성 에너지 변환 효율을 극대화하는 스프링-연결장치 기구의 일반화된 설계 이론을 개발하기 위해.
• 마름모꼴 연결장치 내에서 이상적인 일정력 스프링 거동에 가까운 최적의 스프링 유형, 방향 및 배치를 규명하기 위해.
• 하이브리드 스프링-연결장치 구성이 선형 스프링 및 이상 스프링 대비 에너지 저장 잠재력을 정량화하기 위해.
• 향상된 탄성 에너지 저장을 통해 점프 성능을 모터 제약에서 분리함으로써 더 높은 점프 높이를 달성하기 위해.

제안 방법

• 다양한 스프링 유형과 방향을 가진 마름모꼴 연결장치의 정적 힘-변위 분석을 수행함.
• 연결장치 기하학적 구조와 스프링 배치에 기반한 비선형 스프링으로서의 스프링-연결장치 시스템을 모델링함.
• 스프링-연결장치 구성 간 및 이상/선형 스프링 모델 간 에너지 저장 능력을 비교하기 위해 정규화된 힘과 변위를 사용함.
• 스프링 힘 F와 변위 x를 고려한 공식 EPE = ∫F dx를 사용해 이론적 탄성 에너지 저장량을 유도함.
• 마름모꼴 연결장치 내에서 이송 및 회전 스프링을 조합한 하이브리드 구성의 성능을 평가함.
• 시스템 크기와 무관하게 스프링 강성, 방향 및 연결장치 규모가 에너지 저장 효율성에 미치는 영향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마름모꼴 연결장치 내에서 스프링 유형과 방향이 스프링-연결장치 시스템의 힘-변위 관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 주어진 모터 힘에 대해 이상적인 일정력 스프링의 이론적 한계에 가까운 탄성 에너지 저장을 극대화하는 스프링-연결장치 구성은 무엇인가?
• RQ3 마름모꼴 연결장치 내에서 다양한 스프링 유형(예: 이송 및 회전 스프링)을 조합하면 단일 스프링 배치보다 더 높은 에너지 저장을 달성할 수 있는가?
• RQ4 같은 힘-중량 비율 조건에서 실제 스프링-연결장치 시스템의 에너지 저장 능력은 이상 스프링 및 선형 스프링 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 콤���크성과 환경 보호를 고려할 때 스프링 강성과 노출도의 실용적 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• 마름모꼴 연결장치의 대각선에 두 개의 이송 스프링을 배치하면 이상적인 일정력 스프링에 가까운 특성을 가지며, 이는 기존 스프링 구동 점프 로봇 대비 탄성 에너지 저장량을 최대 160% 향상시킴.
• 이 대각선 스프링 배열은 이상 스프링의 에너지의 약 100%를 저장하며, 거의 완벽한 기계-탄성 에너지 변환 효율을 달성함.
• 회전 스프링과 수평 스프링을 조합한 구성은 이상 스프링의 에너지의 최대 97%를 저장하며, 질량 분포 측면에서 더 우수한 성능을 제공함.
• 스프링이 링크에 거의 평행하게 배열된 마름모꼴 연결장치는 이상 스프링 에너지의 약 65%를 저장함으로써, 더 높은 강성 요구 조건을 감수하면서도 컴팩트하고 보호된 설계를 가능하게 함.
• 어느 관절에든 회전 스프링을 배치하면 질량 분포에 유연하게 대응할 수 있어 효율적인 탄성-운동 에너지 변환에 매우 중요함.
• 에너지 저장 성능은 연결장치 규모와 무관하므로 다양한 로봇 크기에서의 확장 가능한 설계가 가능함.