Design and Control of an Energy Accumulative Hopping Robot

要約

ジャンプやホッピングによる移動は、構造化されていない険しい地形を移動する効率的な手段であり、前者はロボット工学者の焦点となっています。
この焦点は、ジャンプロボットの性能と理解に大きく貢献しましたが、エネルギーを蓄えるためにジャンプの間にかなりの時間を必要とするため、実際の応用は限られており、ジャンプは移動において二次的な役割に追いやられています。
しかし、ホッピング移動は、長いエネルギー貯蔵期間を必要とせずにエネルギーを保存し、後続のホップに伝達することができます。
したがって、ホッピングはジャンプよりもはるかにエネルギー効率が高く、機敏である可能性があります。
しかし、現時点では、可搬重量とホッピング高さが制限されている (< 1 メートル)、繋がれていないホッピング ロボットは 1 台しか存在しません。 これは、動的移動中にエネルギーを入力し、ホッピング サイクル全体でシステムの方向を制御するという要件に固有の設計と制御の複雑さが追加され、エネルギー入力と制御トルクが低くなるためです。 ホッピングロボットの機能を進化させるには、基本原理からの再開発が必要です。 ここでは、解析、シミュレーション、実験結果を通じて検証された、高エネルギー入力と制御トルクを備えた効率的で堅牢なシステムのためのホッピングロボットの設計原理を報告します。 結果として得られたロボット (MultiMo-MHR) は、約 4 メートル (現在の最先端の 6 倍以上) を飛び越えることができます。 また、エネルギー入力ではなく衝撃力学によってのみ制限されます。 この結果はまた、空気力学的エネルギーを投入してホッピングすることは、0.4メートルを超えるホップで飛行するよりも効率が低いと結論付けた最近の研究と真っ向から矛盾している。

要約(オリジナル)

Jumping and hopping locomotion are efficient means of traversing unstructured rugged terrain with the former being the focus of roboticists. This focus has led to significant performance and understanding in jumping robots but with limited practical applications as they require significant time between jumps to store energy, thus relegating jumping to a secondary role in locomotion. Hopping locomotion, however, can preserve and transfer energy to subsequent hops without long energy storage periods. Therefore, hopping has the potential to be far more energy efficient and agile than jumping. However, to date, only a single untethered hopping robot exists with limited payload and hopping heights (< 1 meter). This is due to the added design and control complexity inherent in the requirements to input energy during dynamic locomotion and control the orientation of the system throughout the hopping cycle, resulting in low energy input and control torques; a redevelopment from basic principles is necessary to advance the capabilities of hopping robots. Here we report hopping robot design principles for efficient and robust systems with high energy input and control torques that are validated through analytical, simulation, and experimental results. The resulting robot (MultiMo-MHR) can hop nearly 4 meters (> 6 times the current state-of-the-art); and is only limited by the impact mechanics and not energy input. The results also directly contradict a recent work that concluded hopping with aerodynamic energy input would be less efficient than flight for hops greater than 0.4 meters.

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