[논문 리뷰] Kirin: A Quadruped Robot with High Payload Carrying Capability

Yueheng Zhou, Ming Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 17.

Robotic Locomotion and Control인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 50kg의 전기적 구동을 갖춘 4족 보행 로봇 Kirin을 제시한다. 이 로봇은 고중량 운반을 위해 설계된 프리즘형 준직접구동(QDD) 다리 기구를 탑재하고 있다. 기계적 설계, 구동기 파arameter 최적화 및 보행 제어 전략을 통해 Kirin은 도자기 보행 중 125kg의 정적 러닝과 50kg의 동적 운반 능력을 달성하였으며, 기존의 관절형 무릎 설계에 비해 향상된 중량 운반 능력을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다리 기반 로봇의 잠재적 중량 운반 능력에도 불구하고 고중량 운반에 관한 연구가 부족한 점을 보완하기 위해.
• 기존의 관절형 무릎 관절을 갖춘 로봇에서 발생하는 기계적 제약이 중량 운반 능력을 제한하는 문제를 해결하기 위해.
• 혁신적인 기계적 및 제어 전략을 통해 고중량 운반 성능에 특화된 4족 로봇 설계를 개발하기 위해.
• 정적 및 동적 조건에서 실험적 테스트를 통해 중량 운반 능력을 검증하기 위해.

제안 방법

• 중량 운반 능력을 향상시키기 위해 힘 전달 성능을 향상시키는 프리즘형 준직접구동(QDD) 다리 기구 설계.
• 중량 러닝 성능 및 기계적 이득 분석을 기반으로 한 구동기 파arameter 선정.
• 중량 운반 중 안정성을 유지하기 위해 전신 유연성 제어 구현.
• 정적 및 동적 보행 실험을 통해 중량 운반 성능 평가.
• 기존의 관절형 무릎 관절이 중량 러닝 성능에서 주요 제약 요소임을 규명하기 위한 이론적 모델링.
• 기계적 설계와 제어 전략을 통합하여 하중 지속 효율을 극대화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프리즘형 QDD 다리 기구는 기존의 관절형 무릎 관절에 비해 중량 운반 능력을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 4족 로봇의 중량 운반 성능을 극대화하기 위해 어떤 기계적 및 구동기 설계 원칙이 가장 효과적인가?
• RQ3 제안된 설계로 달성 가능한 정적 및 동적 중량 운반 능력의 상한선은 무엇인가?
• RQ4 전신 유연성 제어가 중량 운반 중 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 이론적 분석이 기존 4족 로봇의 성능 제약 요소를 얼마나 정확히 예측하는가?

주요 결과

• Kirin은 최대 125kg의 정적 중량 운반 능력을 확보하여 프리즘형 QDD 다리 기구의 효과성을 입증하였다.
• 로봇은 도자기 보행 중 50kg의 중량을 성공적으로 운반하였으며, 운동 중에서도 뛰어난 내구성을 입증하였다.
• 이론적 분석을 통해 관절형 무릎 관절이 기계적 이득 감소로 인해 중량 러닝에서 핵심적인 성능 제약 요소임을 규명하였다.
• 프리즘형 QDD 다리 설계는 힘 전달 성능을 크게 향상시켜 기존 설계보다 높은 중량 운반 능력을 가능케 하였다.
• 중량 운반 중에도 전신 유연성이 성공적으로 유지되어 안정성과 적응성을 확보하였다.
• 기계적 구조 및 구동기 선택 기준을 포함한, 중량 운반 중심의 4족 로봇 설계 원칙을 수립하였다.