[论文解读] Kirin: A Quadruped Robot with High Payload Carrying Capability

Yueheng Zhou, Ming Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2022

Robotic Locomotion and Control被引用 4

一句话总结

本文提出 Kirin，一款重50公斤的电动驱动四足机器人，采用棱柱形准直接驱动（QDD）腿部机构，专为高负载承载而设计。通过优化机械设计、执行器参数和运动控制，Kirin 实现了125公斤的静态举升和50公斤的奔跑状态动态承载，相较于传统关节式膝部设计，显著提升了负载能力。

ABSTRACT

The quadruped robot is a versatile mobile platform with potential ability for high payload carrying. However, most of the existing quadruped robots aim at high maneuverability, highly dynamic and agile locomotion. In spite of this, payload carrying is still an indispensable ability for the quadruped robots. Design of a quadruped robot with high payload capacity is yet deeply explored. In this study, a 50 kg electrically-actuated quadruped robot, Kirin, is presented to leverage the payload carrying capability. Kirin is an characterized with prismatic quasi-direct-drive (QDD) leg. This mechanism greatly augments the payload carrying capability. This study presents several design principles for the payload-carrying-oriented quadruped robots, including the mechanical design, actuator parameters selection, and locomotion control method. The theoretical analysis implies that the lifting task tends to be a bottleneck for the existing robots with the articulated knee joints. By using prismatic QDD leg, the payload carrying capability of Kirin is enhanced greatly. To demonstrate Kirin's payload carrying capability, in preliminary experiment, up to 125 kg payload lifting in static stance and 50 kg payload carrying in dynamic trotting are tested. Whole body compliance with payload carrying is also demonstrated.

研究动机与目标

• 为解决尽管四足机器人具备承担此类任务的潜力，但目前在高负载承载方面的研究仍显不足的问题。
• 克服现有机器人中关节式膝部结构带来的机械瓶颈，该瓶颈限制了负载能力。
• 通过创新的机械与控制策略，开发一种专为高负载性能优化的四足机器人设计。
• 通过静态与动态条件下的实验测试，验证负载承载能力。

提出的方法

• 设计一种棱柱形准直接驱动（QDD）腿部机构，以提升力传递效率并增强负载承载能力。
• 基于对举升性能与机械优势的理论分析，选择执行器参数。
• 实施全身柔顺控制，以在负载承载过程中保持稳定性。
• 通过静态与动态步态实验评估负载性能。
• 理论建模识别出关节式膝部结构是负载举升性能的关键瓶颈。
• 整合机械设计与控制策略，以最大化承载效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统关节式膝部结构相比，棱柱形QDD腿部机构在多大程度上提升了负载承载能力？
• RQ2 哪些机械与执行器设计原则可最大化四足机器人的负载性能？
• RQ3 在所提设计下，静态与动态负载承载能力的理论极限是多少？
• RQ4 全身柔顺性在负载承载过程中如何贡献于稳定性？
• RQ5 理论分析在多大程度上能准确预测现有四足机器人中的性能瓶颈？

主要发现

• Kirin 实现了高达125公斤的静态负载举升能力，证明了棱柱形QDD腿部机构的有效性。
• 该机器人在动态快跑步态下成功承载了50公斤负载，证实了其在运动状态下的鲁棒性。
• 理论分析表明，关节式膝部结构因机械优势降低，是负载举升的关键瓶颈。
• 棱柱形QDD腿部设计显著提升了力传递效率，使负载承载能力远超传统设计。
• 在负载承载过程中，全身柔顺性得以成功维持，确保了稳定性和适应性。
• 本研究确立了面向高负载承载的四足机器人设计原则，涵盖机械结构与执行器选型。