[论文解读] Design, Simulation, and Testing of a Flexible Actuated Spine for Quadruped Robots

Andrew P. Sabelhaus, Lara Janse van Vuuren+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Robotic Locomotion and Control参考文献 35被引用 19

一句话总结

本文展示了为四足机器人Laika设计、仿真与硬件验证的基于张拉整体结构的驱动脊柱，实现了多自由度运动，可抬起脚部以维持平衡并启动步态。该脊柱通过调节可调缆绳长度与中央旋转脊椎实现弯曲与扭转，仿真结果经硬件数据校准后，在高张力网格状态下与实际的抬脚表现高度一致。

ABSTRACT

Walking quadruped robots face challenges in positioning their feet and lifting their legs during gait cycles over uneven terrain. The robot Laika is under development as a quadruped with a flexible, actuated spine designed to assist with foot movement and balance during these gaits. This paper presents the first set of hardware designs for the spine of Laika, a physical prototype of those designs, and tests in both hardware and simulations that show the prototype's capabilities. Laika's spine is a tensegrity structure, used for its advantages with weight and force distribution, and represents the first working prototype of a tensegrity spine for a quadruped robot. The spine bends by adjusting the lengths of the cables that separate its vertebrae, and twists using an actuated rotating vertebra at its center. The current prototype of Laika has stiff legs attached to the spine, and is used as a test setup for evaluation of the spine itself. This work shows the advantages of Laika's spine by demonstrating the spine lifting each of the robot's four feet, both as a form of balancing and as a precursor for a walking gait. These foot motions, using specific combinations of bending and rotation movements of the spine, are measured in both simulation and hardware experiments. Hardware data are used to calibrate the simulations, such that the simulations can be used for control of balancing or gait cycles in the future. Future work will attach actuated legs to Laika's spine, and examine balancing and gait cycles when combined with leg movements.

研究动机与目标

• 开发一种柔性、可驱动的脊柱，用于四足机器人，以提升其在不平坦地形上的平衡与运动能力。
• 为四足机器人Laika创建一个张拉整体脊柱的可运行硬件原型。
• 通过物理硬件测试与仿真验证脊柱的运动能力。
• 利用硬件数据校准仿真模型，以支持未来平衡与步态周期的控制。
• 展示脊柱通过协调弯曲与旋转，实现对机器人四条腿的抬升能力。

提出的方法

• 该脊柱为包含五个脊椎的张拉整体结构，其中第二和第四脊椎为活动脊椎，中央脊椎可驱动旋转以实现轴向旋转。
• 通过执行器调节脊椎之间的缆绳长度，以在矢状面与冠状面内诱导弯曲。
• 使用可调节网格张力的物理基础模型对脊柱运动进行仿真，以表示缆绳预张力。
• 通过硬件实验测量脊柱驱动过程中的抬脚角度与位置，数据用于校准仿真模型。
• 通过将最高张力配置的仿真结果与硬件结果匹配，对仿真模型进行校准，对脚A与脚D的抬脚表现实现了高度一致。
• 抬脚行为的差异归因于机器人不对称性、缆绳几何结构以及非平面鞍座缆绳力。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于张拉整体结构的可驱动脊柱是否能够实现四足机器人中单个脚部的受控抬升，以实现平衡与步态启动？
• RQ2 缆绳张力的变化如何影响仿真与硬件中脊柱抬脚的能力？
• RQ3 仿真在多大程度上能准确预测硬件的抬脚行为？其是否可校准以用于未来控制？
• RQ4 机器人不对称性与非平面缆绳走线在脚部抬升性能差异中起什么作用？
• RQ5 脊柱的联合弯曲与扭转运动如何共同实现多自由度的脚部定位？

主要发现

• 最高张力的仿真配置与硬件结果最为接近，尤其在脚A与脚D上，因此被用于校准仿真模型。
• 硬件实验中，中心脊椎旋转角度在0.41–0.60弧度范围内实现抬脚，脚A与脚D的匹配最为一致。
• 脚B与脚C的仿真结果接近但未完全落在硬件范围内，可能由于摩擦、张紧与几何结构的简化假设。
• 通过协调弯曲与旋转，脊柱成功抬起了所有四条腿，证明其具备平衡维持与步态准备的能力。
• 各脚抬升角度与高度的差异归因于机器人前后不对称性与非平面鞍座缆绳走线。
• 经高张力数据校准后的仿真模型，适用于未来平衡与步态控制策略的开发。