[论文解读] 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 6

一句话总结

Stanford Pupper 是一款开源、低成本的四足机器人，专为可及的足式机器人研究而设计，配备可调节扭矩的无刷电机，总建造成本低于2000美元。它通过标准化的 Sprint 和 Scramble 任务实现可复现的基准测试，参考控制器在不同机构独立构建的多台机器人上均实现了稳定的动态行走性能。

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.

研究动机与目标

• 解决足式机器人研究中缺乏可访问性、可复现性和高性能硬件平台的问题。
• 通过低成本、开源设计，推动学习和基于优化的控制方法在足式系统中的广泛应用。
• 建立标准化基准（Sprint 和 Scramble），实现跨机构对控制算法的公平、可重复比较。
• 通过支持教育推广，使高中生和本科生能够构建并实验具备敏捷性与扭矩控制的四足机器人。
• 通过使用透明、可调节扭矩的执行器并具备精确的物理建模，确保仿真到现实的迁移能力。

提出的方法

• 该机器人采用12个高比功率的无刷直流电机，集成电流控制，实现精确的扭矩跟踪，从而确保仿真到现实的可靠迁移。
• 所有机械部件均采用3D打印或现成零件，降低制造成本并支持快速复制。
• 参考控制器采用任务空间阻抗控制，并结合足部轨迹生成器，实现动态、全向行走。
• Sprint 基准测试衡量在5米距离内达到的最大前进速度；Scramble 基准测试衡量穿越两个障碍物所需的时间。
• 由斯坦福大学学生机器人组织托管的集中式基准测试平台，维护排行榜并确保评估协议的一致性。
• 通过在斯坦福大学、麻省理工学院和伍斯特理工学院独立构建的三台 Pupper 机器人验证了可复现性。

实验结果

研究问题

• RQ1 低成本、开源的四足机器人能否实现与 Anymal 和 MIT Cheetah 3 等高端平台相当的性能？
• RQ2 扭矩控制的无刷电机系统在多大程度上能实现足式机器人控制中的可靠仿真到现实迁移？
• RQ3 标准化基准（Sprint 和 Scramble）能否在独立构建的机器人之间实现一致且可复现的性能比较？
• RQ4 参考控制器在真实地形中，于多台独立组装的 Pupper 机器人上的性能表现如何？
• RQ5 低成本、开源平台能否有效支持教育推广，并促进学生主导的机器人研究？

主要发现

• 参考控制器在平坦地面上实现了稳定的前进速度 0.8 m/s、侧向速度 0.4 m/s 和 2.5 rad/s 的转向速率。
• 在三台独立构建的 Pupper 机器人上，Sprint 基准测试的平均得分为 0.66，标准偏差为 0.025。
• 在单台机器人多次试验中，Scramble 基准测试的平均用时为 34.6 秒，标准偏差为 4.3 秒。
• 三台独立构建的 Pupper 机器人在基准测试中均表现出低相对误差范围内的重复性得分，证实了高度的可复现性。
• 机器人在包括碎石、湿滑地面、积雪和倾斜草地在内的多样化非结构化地形上成功实现了动态行走，并能从意外跌落中稳健恢复。
• 在 Sprint 基准测试期间，三台机器人的电能消耗高度一致，表明机械与控制系统性能可靠。