Design and Experimental Verification of a Jumping Legged Robot for Martian Lava Tube Exploration

要約

火星の溶岩洞には資源の採掘と生息地の保護のための可能性があることから、その探査という過酷な任務を遂行できるロボットの必要性が浮き彫りになっています。
この動機に動かされて、この研究では、火星の低重力でのジャンプに最適化され、二足歩行システムと四足歩行システムの両方に適応できる脚構成で設計された脚ロボット システムを紹介します。
この設計では、トルク制御されたアクチュエータとスプリングを組み合わせて、強力なジャンプ、堅牢な移動、エネルギー効率の高い休息姿勢を実現します。
主な設計上の特徴としては、脚のコンセプトとして 5 バー機構と、高強度のコードで接続されたスプリングとの組み合わせが挙げられます。
火星の重力下でのジャンプ高さを最大化するために選択された5バーリンクの長さとバネの剛性が最適化され、ロボットの脚として実現されました。
このような 2 本の脚とコンパクトなボディを組み合わせることで、二足歩行のプロトタイプのジャンプ テストが可能になりました。
ロボットの高さは 0.472 m、重量は 7.9 kg です。
大幅な安全マージンを設けたジャンプ試験では、地球の重力下でのジャンプ高さは 1.141 m と測定され、合計 4 回のジャンプ実験が示されています。
モーターのトルクと設計の運動学的限界を最大限に活用したシミュレーションの結果、地球の重力下では 1.52 m、火星の重力下では 3.63 m の可能な最大ジャンプ高さが得られ、移動手段としてのジャンプと低重力下での障害物克服の多用途性が強調されました。

要約(オリジナル)

The potential of Martian lava tubes for resource extraction and habitat sheltering highlights the need for robots capable to undertake the grueling task of their exploration. Driven by this motivation, in this work we introduce a legged robot system optimized for jumping in the low gravity of Mars, designed with leg configurations adaptable to both bipedal and quadrupedal systems. This design utilizes torque-controlled actuators coupled with springs for high-power jumping, robust locomotion, and an energy-efficient resting pose. Key design features include a 5-bar mechanism as leg concept, combined with springs connected by a high-strength cord. The selected 5-bar link lengths and spring stiffness were optimized for maximizing the jump height in Martian gravity and realized as a robot leg. Two such legs combined with a compact body allowed jump testing of a bipedal prototype. The robot is 0.472 m tall and weighs 7.9 kg. Jump testing with significant safety margins resulted in a measured jump height of 1.141 m in Earth’s gravity, while a total of 4 jumping experiments are presented. Simulations utilizing the full motor torque and kinematic limits of the design resulted in a maximum possible jump height of 1.52 m in Earth’s gravity and 3.63 m in Mars’ gravity, highlighting the versatility of jumping as a form of locomotion and overcoming obstacles in lower gravity.

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