[논문 리뷰] The dynamic effect of mechanical losses of transmissions on the equation of motion of legged robots

Youngwoo Sim, João Ramos|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 03.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 22인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 기계적 전송 손실—특히 관절 마찰과 효율성—이 다리 다람쥐 로봇의 전체 역학에 미치는 영향을 정량화하는 프레임워크를 제안한다. 관성, 코리olis 항 및 힘 항에 효율성에 따라 변하는 항을 추가한 운동 방정식을 통해, 효율성이 낮을수록 종단 기구의 등가 관성이 증가하고, 특히 후진 구동 조건에서 정적 하중 지지 능력이 향상됨을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기계적 전송 손실이 전체 로봇 역학에 미치는 영향을 정량화하기 위한 기본 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다리 다람쥐 로봇에서 최적의 전송 장치를 선택하기 위한 설계 지표의 부족을 보완하기 위해.
• 로봇 설계에서 동적 성능와 정적 하중 지지 능력 간의 체계적 트레이드오프를 가능하게 하기 위해.
• 전송 효율성을 시스템 수준의 역학, 관성 및 힘 능력에 통합하는 통합된 수식을 제공하기 위해.

제안 방법

• 관성 행렬, 코리olis 항 및 일반화된 힘 벡터에 기계적 효율성을 통합한 보완된 운동 방정식을 제안한다.
• 전진 및 후진 에너지 흐름 하에서 비대칭적인 동적 영향을 모델링하기 위해 전진 및 후진 구동 일반화된 관성 텐서(GIT)를 도입한다.
• 가능한 토크와 접촉 잭슨 행렬의 볼록 Hull을 사용하여 비대칭 힘 능력(Asymmetric-FC)을 정의하여 하중 지지 능력을 정량화한다.
• 다양한 전진 및 후진 효율성 조건에서 프레임워크를 검증하기 위해 동일한 모터와 기어박스를 갖춘 2-DoF 평면 다리 모델을 사용한다.
• 정규화된 힘 능력과 영향 완화 힘(IMF)을 계산하여 효율 수준 간의 성능을 비교한다.
• 과잉 결정 또는 특이한 구성 조건에서 비대칭 힘 능력을 계산하기 위해 선형 프로그래밍을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 전송 효율성이 로봇 종단 기구에서 감지되는 관성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전진 및 후진 에너지 흐름이 로봇의 동적 및 정적 거동에 다르게 영향을 주는 방식은 무엇인가?
• RQ3 전송 효율성이 외부 힘을 저항하거나 적용하는 데 로봇의 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 내부 마찰로 인해 정적 하중 지지 능력과 동적 충격 완화 능력 사이의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 전송 효율성을 특정 작업에 최적화하기 위해 설계 매개변수로 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 마찰 없는 경우에 비해 낮은 효율성일수록 종단 기구에서의 등가 관성이 증가함을 보여주는, 전진 및 후진 GIT 타원체가 더 큰 것으로 나타났다.
• 전진 효율이 0.499에 가까워질수록 후진-FC가 무한대에 수렴함을 통해, 역방향 에너지 흐름 조건에서 정적 하중 지지 능력이 향상됨을 시사한다.
• 전진-FC는 전진 효율이 감소함에 따라 선형적으로 감소하며, 이는 활성 힘 생성 능력이 감소함을 반영한다.
• 저효율 조건에서 ˆz 방향의 영향 완화 힘(IMF)이 감소함을 통해, 지면 충격 힘을 완화하는 능력이 떨어짐을 나타낸다.
• 낮은 효율성이 정적 하중 지지 능력을 향상시키지만 동적 충격 완화 능력을 악화시키는 트레이드오프가 정량적으로 입증되었다.
• 프레임워크를 통해 전송 효율을 조절하여 정적 및 동적 성능 간 균형을 맞출 수 있는 설계 최적화가 가능하다.