[論文レビュー] Bruce -- Design and Development of a Dynamic Hexapod Robot

Ryan Steindl, Thomas Molnar+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2020

Robotic Locomotion and Control参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、粗いおよび構造のない地下環境を自律的に走破することを目的とした動的歩行を行う六脚ロボット「Bruce」を紹介する。Apptronikの直線型シリーズエラスティックアクチュエータ（SEA）を採用し、80%が3Dプリントされた構造部品を用いて構築された本体は、中央パターンジェネレータ（CPG）とタスクフレームインピーダンス制御を用いて脚の同期制御を実現し、平坦な地形では0.5 m/s、瓦礫や芝生、岩の上では0.3 m/sの安定した歩行を達成した。本ロボットはDARPA SubTチャレンジのトンネルサーキットでも成功裏に運用された。

ABSTRACT

This paper introduces Bruce, the CSIRO Dynamic Hexapod Robot capable of autonomous, dynamic locomotion over difficult terrain. This robot is built around Apptronik linear series elastic actuators, and went from design to deployment in under a year by using approximately 80\% 3D printed structural (joints and link) parts. The robot has so far demonstrated rough terrain traversal over grass, rocks and rubble at 0.3m/s, and flat-ground speeds up to 0.5m/s. This was achieved with a simple controller, inspired by RHex, with a central pattern generator, task-frame impedance control for individual legs and no foot contact detection. The robot is designed to move at up to 1.0m/s on flat ground with appropriate control, and was deployed into the the DARPA SubT Challenge Tunnel circuit event in August 2019.

研究の動機と目的

• 複雑な地下環境における自律的探索が可能な、頑健で高速かつ動的安定性に優れた六脚ロボットの開発。
• 平坦な地形では高速な動的歩行を実現しつつ、粗い未構造的地形でも安定性と適合性を維持すること。
• 3Dプリント構造部品と市販のアクチュエータを広く活用することで、ハードウェアの複雑さと開発期間を最小限に抑えること。
• 足の接触検出を一切行わず、フィードフォワード制御とインピーダンスチューニングのみで自律動作を実現すること。
• 実際の地下環境、特にDARPA SubTチャレンジのトンネルサーキットを含めた現実世界の条件下でプラットフォームの有効性を検証すること。

提案手法

• ロボットは、三脚歩行のための周期的な歩行パターンを生成するため、中央パターンジェネレータ（CPG）を採用している。
• 各脚は、線形シリーズエラスティックアクチュエータ（SEA）を用いたタスクフレームインピーダンス制御を採用し、適合性と動的応答性を実現している。
• 生物学的六脚動物のばね-質量ダイナミクスを模倣するために、重心を低く保ち、脚制御帯域を広く確保する設計が採用されている。
• 脚の配置は直線的で、前方速度の最大化と足跡の適応性を高めるために最適化されたリンク長を有する。
• 本体は主電気部品と電源を収容しており、構造部品の80%が3Dプリントで作成されており、コスト削減とプロトタイピングの迅速化を図っている。
• 本体の姿勢は、EKFフィルタを用いたLiDARとIMUの融合によるオンボードSLAMシステムにより、リアルタイムで推定されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 六脚ロボットは、平坦な地形では高速な動的歩行を実現しつつ、粗い地形でも安定性を維持できるか？
• RQ2 足の接触検出を一切行わず、CPGベースの制御戦略とタスクフレームインピーダンス制御が、接触なしの安定歩行を実現できるか？
• RQ3 脚のインピーダンスチューニングと動的モデル化の精度が、高速走行時の速度追従性とシステム安定性にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 低コストで3Dプリントされた六脚ロボットプラットフォームは、実際の地下環境において、専用の脚部ロボットと同等の性能を達成できるか？
• RQ5 インピーダンス制御の帯域制限と動的モデルの不正確さによって、理論上の最大速度に達する際に生じる主な制限要因は何か？

主な発見

• Bruceは、制御された試験で平坦な地形での最大速度が0.5 m/sに達し、芝生、瓦礫、岩の上でも0.3 m/sの安定した歩行が確認された。
• DARPA SubTチャレンジの資格試験コースを自律走行で完了し、合計25 mの混合地形を走破した。
• トンネルサーキットのイベントでは、実験的地下坑道に15 m進み、平均速度0.283 m/sを記録したが、その後機械的故障が発生した。
• 歩行サイクル中、体幹高さの変動がピークtoピークで0.02–0.03 mの範囲に収まっており、接触検出なしのフィードフォワード補償が効果的であったことが示された。
• 0.5 m/sの速度では、脚の剛性が低く、高ステップ周波数における先端軌道追従性が悪いため、速度追従性に顕著な振動が生じた。
• 0.75 Hzのステップ周波数では、脚のインピーダンスとの共鳴により横方向の振動が発生したが、1.0 Hzでの動作では安定性が向上した。