[论文解读] Elastic energy storage of spring-driven jumping robots

J.T. Lo, Ben Parslew|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2023

Robotic Locomotion and Control被引用 4

一句话总结

本文针对菱形连杆-弹簧系统提出了广义的势能分析，证明在菱形连杆的对角线上组合使用水平平动弹簧，可实现接近理想恒力弹簧的性能，其弹性储能比以往设计高出最多160%，显著提升了在给定电机驱动力下的跳跃高度。

ABSTRACT

Spring-driven jumping robots use an energised spring for propulsion, while the onboard motor only serves as a spring-charging source. A common mechanism in designing these robots is the rhomboidal linkage, which has been combined with linear springs (spring-linkage) to create a nonlinear spring, thereby increasing elastic energy storage and jump height for a given motor force. The effectiveness of this spring-linkage has been examined for individual designs, but a generalised design theory of this class of system remains absent. This paper presents an energetics analysis of the spring-linkage and provides insight into designing an ideal constant force spring, which stores the maximum energy for a given motor force. A quasi-static analysis shows that the force-displacement relationship of the spring-linkage changes with the orientation and type of the spring, but is independent of the linkage scale. Combining different types and orientations of springs within the linkage enables higher elastic energy storage than using single springs. Placing two translational springs at the diagonals of the rhomboidal linkage creates an ideal spring that could increase the jump height of prior robots by 50-160%.

研究动机与目标

• 解决因电机功率和速度限制导致的弹簧驱动跳跃机器人弹性储能受限的问题。
• 建立弹簧-连杆机构的广义设计理论，以最大化机械能-弹性能转换效率。
• 识别菱形连杆中最佳的弹簧类型、方向和布置方式，以逼近理想恒力弹簧行为。
• 量化混合弹簧-连杆构型与线性弹簧及理想弹簧相比的储能潜力。
• 通过增强弹性储能，实现跳跃性能与电机限制的解耦，从而实现更高的跳跃高度。

提出的方法

• 对不同弹簧类型和方向的菱形连杆进行准静态力-位移分析。
• 基于连杆几何结构和弹簧布置，将弹簧-连杆系统建模为具有可变刚度的非线性弹簧。
• 使用归一化力和位移，比较不同弹簧-连杆构型与理想/线性弹簧模型的储能性能。
• 利用公式 EPE = ∫F dx 推导理论弹性储能，其中 F 表示弹簧力，x 表示位移。
• 评估在菱形连杆中组合使用平动弹簧和转动弹簧的混合构型性能。
• 独立于系统尺寸，评估弹簧刚度、方向和连杆尺度对储能效率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在菱形连杆内，弹簧类型和方向如何影响弹簧-连杆系统的力-位移关系？
• RQ2 在给定电机驱动力下，何种弹簧-连杆构型能最大化弹性储能并逼近理想恒力弹簧的理论极限？
• RQ3 在菱形连杆中组合使用不同类型的弹簧（如平动弹簧和转动弹簧）是否能实现比单一弹簧布置更高的储能？
• RQ4 在相同的力重比条件下，真实弹簧-连杆系统的储能性能与理想弹簧和线性弹簧模型相比如何？
• RQ5 在优化紧凑性和环境防护时，弹簧刚度和暴露程度的实际权衡是什么？

主要发现

• 在菱形连杆的对角线上布置两个平动弹簧，可形成接近理想恒力弹簧的系统，其弹性储能比以往的弹簧驱动跳跃机器人最高提升160%。
• 该对角线弹簧布置方式可储存约100%的理想弹簧能量，实现接近完美的机械能-弹性能转换效率。
• 采用转动弹簧与水平弹簧组合的构型，可储存高达理想弹簧97%的能量，提供高性能替代方案并具备更优的质量分布。
• 当弹簧方向几乎与连杆平行时，菱形连杆系统可储存约理想弹簧65%的能量，提供紧凑且受保护的设计，但需更高的刚度要求。
• 在任意关节处布置转动弹簧可提供设计灵活性，有利于质量分布，这对高效实现弹性能向动能的转换至关重要。
• 储能性能与连杆尺寸无关，支持在不同机器人尺寸下实现可扩展设计。