[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文提出了一款名为Bruce的六足机器人，专为在复杂且非结构化的地下环境中实现自主移动而设计。该机器人采用Apptronik线性串联弹性执行器（series elastic actuators）和80% 3D打印组件制造，利用中枢模式发生器（central pattern generator）与任务帧阻抗控制实现腿部协调，可在平坦地面以0.5 m/s的速度稳定移动，在碎石、草地和岩石地形上以0.3 m/s的速度移动，且已在DARPA SubT挑战赛隧道回路中成功部署。

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.

研究动机与目标

• 开发一款坚固、快速且具备动态稳定性的六足机器人，能够在复杂地下环境中实现自主探索。
• 在平坦地形上实现高速动态移动，同时在崎岖、非结构化地形上保持稳定性和顺应性。
• 通过广泛使用3D打印结构部件和现成的执行器，最大限度降低硬件复杂度和开发时间。
• 仅通过前馈控制与阻抗调参，不依赖足部接触检测，实现自主运行。
• 在真实地下环境中验证该平台性能，包括DARPA SubT挑战赛隧道回路。

提出的方法

• 机器人采用中枢模式发生器（CPG）生成用于三脚架步态移动的节律性步态模式。
• 每条腿采用任务帧阻抗控制与线性串联弹性执行器（SEAs）结合，以提供顺应性与动态响应。
• 设计强调低重心与高带宽的腿部控制，以模拟生物六足动物的弹簧-质量动力学特性。
• 机器人形态采用直线型腿部构型，并优化了连杆长度，以最大化前进速度与足印适应性。
• 中央机体集成主控电子设备与电源，80%的结构部件采用3D打印，以降低成本并加速原型开发。
• 通过融合激光雷达与IMU数据的EKF滤波器，实时估计机体姿态，结合机载SLAM系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 六足机器人能否在平坦地形上实现高速动态移动，同时在崎岖地形上保持稳定？
• RQ2 基于CPG的控制策略结合任务帧阻抗控制，在无足部接触检测条件下，能否实现稳定、无接触的移动？
• RQ3 腿部阻抗调参与动态建模对高速运行下的速度跟踪与系统稳定性影响有多大？
• RQ4 低成本、3D打印的六足机器人平台能否在真实地下环境中实现与专业腿式机器人相当的性能？
• RQ5 由于阻抗控制带宽限制与动态建模不准确，导致的最大理论速度受限的主要因素是什么？

主要发现

• Bruce在控制环境下实现了最高0.5 m/s的平坦地面移动速度，且在草地、碎石和碎石堆上以0.3 m/s的速度实现了稳定移动。
• 机器人成功完成DARPA SubT挑战赛资格赛赛道，自主穿越25米混合地形。
• 在隧道回路比赛中，Bruce以平均0.283 m/s的速度进入实验性矿井15米，后因机械故障停止。
• 在步态周期中，机体高度偏差保持在0.02–0.03 m峰峰值范围内，表明无需接触检测即可实现有效的前馈补偿。
• 在0.5 m/s速度下，速度跟踪出现显著振荡，原因在于腿部刚度不足及高步频下末端轨迹跟踪性能差。
• 0.75 Hz的步频引发与腿部阻抗的共振，导致横向振荡；而1.0 Hz运行则表现出更优的稳定性。