Harnessing Natural Oscillations for High-Speed, Efficient Asymmetrical Locomotion in Quadrupedal Robots

要約

この研究では、速度と安定性を向上させるための胴体のピッチングと股関節の動きの統合に焦点を当て、四足ロボットにおける非対称の境界歩行のダイナミクスを調査します。
従来の制御戦略では、多くの場合、制御の問題を単純化するために、姿勢を固定し、自然な体の動きを最小限に抑えます。
ただし、このアプローチでは、自然な移動に見られる固有の力学的利点が見落とされる可能性があります。
ロボットを 2 つの相互接続されたセグメントとして考えることで、自然の力学と不十分なロボット工学原理からインスピレーションを得て、受動的な胴体の振動を許容しながら立脚の動作に集中します。
私たちの制御スキームは、前脚と後脚の動きを独立して制御するために、線形倒立振子 (LIP) モデルとバネ式倒立振子 (SLIP) モデルを採用しています。
このアプローチは広範なシミュレーションとハードウェア実験を通じて検証されており、最高速度が 4 m/s に近い高速移動が成功し、地面反力が低減され、より効率的な歩行が可能であることが実証されています。
さらに、従来の方法とは異なり、私たちの戦略は自然な胴体の振動を利用して脚の循環と歩幅を助け、ロボットのダイナミクスを生物学的対応物とより密接に一致させます。
私たちの研究結果は、特にバウンディングなどの非対称な歩行において、四足歩行の自然な力学を取り入れることで、より安定して効率的かつ高速なロボット移動につながる可能性があることを示唆しています。
この研究は、多用途かつダイナミックな四足歩行と、迅速かつ効果的な移動が要求されるシナリオにおけるその潜在的な応用に関する将来の研究の基礎を築きます。

要約(オリジナル)

This study explores the dynamics of asymmetrical bounding gaits in quadrupedal robots, focusing on the integration of torso pitching and hip motion to enhance speed and stability. Traditional control strategies often enforce a fixed posture, minimizing natural body movements to simplify the control problem. However, this approach may overlook the inherent dynamical advantages found in natural locomotion. By considering the robot as two interconnected segments, we concentrate on stance leg motion while allowing passive torso oscillation, drawing inspiration from natural dynamics and underactuated robotics principles. Our control scheme employs Linear Inverted Pendulum (LIP) and Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP) models to govern front and rear leg movements independently. This approach has been validated through extensive simulations and hardware experiments, demonstrating successful high-speed locomotion with top speeds nearing 4 m/s and reduced ground reaction forces, indicating a more efficient gait. Furthermore, unlike conventional methods, our strategy leverages natural torso oscillations to aid leg circulation and stride length, aligning robot dynamics more closely with biological counterparts. Our findings suggest that embracing the natural dynamics of quadrupedal movement, particularly in asymmetrical gaits like bounding, can lead to more stable, efficient, and high-speed robotic locomotion. This investigation lays the groundwork for future studies on versatile and dynamic quadrupedal gaits and their potential applications in scenarios demanding rapid and effective locomotion.

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