[論文レビュー] Stanford Pupper: A Low-Cost Agile Quadruped Robot for Benchmarking and Education

Nathan Kau|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2021

Robotic Locomotion and Control被引用数 6

ひとこと要約

Stanford Pupper は、トルク制御可能でブラシレスモーターを搭載したオープンソースで低コストの四足歩行ロボットであり、$2000未満の総構成コストで実現された。標準化されたスプリントおよびスクラムブルタスクを通じて再現可能なベンチマーク評価を可能にし、複数の異なる機関で独立して構築されたロボットユニットにおいても一貫した動的歩行を実現する参照コントローラを備えている。

ABSTRACT

We present Stanford Pupper, an easily-replicated open source quadruped robot designed specifically as a benchmark platform for legged robotics research. The robot features torque-controllable brushless motors with high specific power that enable testing of impedance and torque-based machine learning and optimization control approaches. Pupper can be built from the ground up in under 8 hours for a total cost under $2000, with all components either easily purchased or 3D printed. To rigorously compare control approaches, we introduce two benchmarks, Sprint and Scramble with a leader board maintained by Stanford Student Robotics. These benchmarks test high-speed dynamic locomotion capability, and robustness to unstructured terrain. We provide a reference controller with dynamic, omnidirectional gaits that serves as a baseline for comparison. Reproducibility is demonstrated across multiple institutions with robots made independently. All material is available at https://stanfordstudentrobotics.org/quadruped-benchmark.

研究の動機と目的

• 脚部ロボティクス研究のためのアクセス可能で再現可能かつ高パフォーマンスなハードウェアプラットフォームの不足に対処すること。
• 低コストでオープンソースの設計を通じて、学習および最適化ベースの制御手法が脚部システムに広く採用されることを可能にすること。
• 公平で繰り返し可能な制御アルゴリズムの比較を可能にするために、標準化されたベンチマーク（スプリントおよびスクラムブル）を確立すること。
• 高校生および学部生が俊敏でトルク制御可能な四足歩行ロボットを自作し実験できるようにすることを通じて教育的アウトリーチを支援すること。
• 透明でトルク制御可能なアクチュエータを用いることで、シミュレーションから実世界への移行性を確保すること。

提案手法

• ロボットは、正確なトルク追従を可能にする統合電流制御を備えた12台の高比出力ブラシレスDCモーターを採用し、シミュレーションから実世界への移行性を高めている。
• すべての機械的部品は3Dプリンティングまたは市販部品を用いて構成されており、コスト削減と迅速な再現性を実現している。
• 参照コントローラは、タスク空間インピーダンス制御と足の軌道生成器を実装し、動的で全方向歩行を実現している。
• スプリントベンチマークは5メートルの前方走行における最大速度を測定する。スクラムブルベンチマークは2つの障害物を越えるまでの時間を測定する。
• スタンフォード学生ロボティクスがホスティングする中央集約型ベンチマークプラットフォームがリーダーボードを維持し、一貫した評価プロトコルを保証している。
• 3か所の独立したPupperユニット（スタンフォード、MIT、ワースター工科大学）における再現性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストでオープンソースの四足歩行ロボットは、Anymal や MIT Cheetah 3 などの高価なプラットフォームと同等の性能を達成できるか？
• RQ2 トルク制御可能でブラシレスモーターを搭載したシステムは、脚部ロボット制御における信頼性の高いシミュレーションから実世界への移行性をどの程度実現できるか？
• RQ3 標準化されたベンチマーク（スプリントおよびスクラムブル）は、独立して構築されたロボット間での一貫性があり再現可能な性能比較を可能にするか？
• RQ4 参照コントローラのパフォーマンスは、実際の地形において複数の独立して組み立てられたPupperロボットでどのように変動するか？
• RQ5 低コストでオープンソースのプラットフォームは、教育的アウトリーチおよび学生主導のロボティクス研究を効果的に支援できるか？

主な発見

• 参照コントローラは、平坦な地面で安定した前進速度0.8 m/s、横方向速度0.4 m/s、旋回速度2.5 rad/sを達成した。
• スプリントベンチマークでは、3台の独立して構築されたPupperロボットで平均0.66のスコアを記録し、標準偏差は0.025であった。
• スクラムブルベンチマークでは、1台のロボットが複数回の試行で平均34.6秒の時間記録を達成し、標準偏差は4.3秒であった。
• 3台の独立して構築されたPupperロボットは、低相対誤差内で再現可能なベンチマークスコアを示し、高い再現性が確認された。
• 複雑な未舗装の地形（小石、湿った地面、雪、傾斜のある芝地）においても、動的歩行を安定して実行でき、想定外の転倒に対しても回復が可能であった。
• スプリントベンチマーク中、3台のロボットにおける電気的消費電力が極めて一貫しており、信頼性の高い機械的および制御システムの性能が裏付けられた。