Geometrically Modulable Gait Design for Quadrupeds

要約

小型脚ロボットは搭載された計算と制御によって制約を受けるため、 \emph{周期的作動または歩行} (普遍的なロボット制御パラダイム) を誘導された平均的な移動運動に結び付ける、第一原理に基づくシンプルな幾何学モデルの必要性が生じています。
この論文では、幾何学力学のツールを使用して、滑りのない状態で大の字に広がった平面四足歩行システムのための \emph{モジュール可能な 2 ビート歩行設計フレームワーク}を開発します。
標準的な 2 拍歩容を、相互に排他的な形状部分空間内の固有の部分歩容に縮小します。
サブゲイトは、四肢が地面に接触しているときの運動立脚相と、四肢が接触せずにリセットされる非運動性の瞬間的な遊脚相によって特徴付けられます。
立脚段階では、接触している手足が 4 つのバーの機構を形成します。
その後の移動を分析するために、次のツールを開発します: (a) 滑り止め作動を生成するベクトル場、(b) ローカル接続としての 4 つのバー機構の運動学、(c) 運動学と運動学を組み合わせた層別パネル
拘束された作動により、スタンススイングサブ歩行サイクルによって生成されるシステムの位置の正味の変化をエンコードします。
次に、分離されたサブ歩容は、形状変化ベースの流れを使用して独立して設計され、適切な位相と組み合わされて 2 拍歩容が生成されます。
さらに、「スケーリング」および「スライディング」制御入力を導入して、歩行時間における四足歩行システムのグローバル軌道を継続的に調整します。これにより、制御入力を使用したサイクル平均速度、方向、およびステアリング制御を実証します。
したがって、このフレームワークは、複雑でない開ループ歩行計画を作成したり、限られたリソースでロボットのスケジュールを取得したりして、自律制御の実現に近づける可能性を秘めています。

要約(オリジナル)

Miniature-legged robots are constrained by their onboard computation and control, thus motivating the need for simple, first-principles-based geometric models that connect \emph{periodic actuation or gaits} (a universal robot control paradigm) to the induced average locomotion. In this paper, we develop a \emph{modulable two-beat gait design framework} for sprawled planar quadrupedal systems under the no-slip using tools from geometric mechanics. We reduce standard two-beat gaits into unique subgaits in mutually exclusive shape subspaces. Subgaits are characterized by a locomotive stance phase when limbs are in ground contact and a non-locomotive, instantaneous swing phase where the limbs are reset without contact. During the stance phase, the contacting limbs form a four-bar mechanism. To analyze the ensuing locomotion, we develop the following tools: (a) a vector field to generate nonslip actuation, (b) the kinematics of a four-bar mechanism as a local connection, and (c) stratified panels that combine the kinematics and constrained actuation to encode the net change in the system’s position generated by a stance-swing subgait cycle. Decoupled subgaits are then designed independently using flows on the shape-change basis and are combined with appropriate phasing to produce a two-beat gait. Further, we introduce “scaling’ and “sliding’ control inputs to continuously modulate the global trajectories of the quadrupedal system in gait time through which we demonstrate cycle-average speed, direction, and steering control using the control inputs. Thus, this framework has the potential to create uncomplicated open-loop gait plans or gain schedules for robots with limited resources, bringing them closer to achieving autonomous control.

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