Optimizing Design and Control of Running Robots Abstracted as Torque Driven Spring Loaded Inverted Pendulum (TD-SLIP)

要約

脚による移動は、複雑で構造化されていない環境での走行に有望です。
このような脚式ロボットを設計するには、機械的ハードウェアや形状の選択からコントローラーのプロファイルに至るまで、異種のマルチドメインの制約と変数を考慮する必要があります。
しかし、特に小規模 (500 g 未満) のスケールにおいて、実現可能で堅牢なランニング プラットフォームを特定するための正式なまたは系統的な (アドホックではなく) 設計定式化やフレームワークはほとんど存在しません。
ここでは、トルク駆動バネ荷重倒立振子 (TD-SLIP) モデルを通じて脚式ロボットの動作を抽象化し、システムの存在下で安定した周期的前方移動をもたらす制約を導き出すことで、走行脚式ロボット設計におけるこの重大なギャップに対処します。
ノイズ。
合成ノイズは、開ループ制御で蓄積された誤差をシミュレートするために、候補設計評価の初期状態に追加されます。
設計空間は、脚の特性やシステム質量、アクチュエータの選択、開ループ電圧プロファイルなどの形態学的パラメータの観点から定義されました。
これらの属性は、混合離散変数を処理できるよく知られた粒子群最適化ソルバーを使用して最適化されました。
2 つの個別のケーススタディにより、ストライドごとの接地角度と作動エネルギーの差がそれぞれ最小限に抑えられました。
どちらの場合も、比較的再現性が高く安定したダイナミクスを備えた脚式ロボットの設計が得られ、同時に、明確なジオメトリとコントローラー プロファイルの選択が可能になりました。

要約(オリジナル)

Legged locomotion shows promise for running in complex, unstructured environments. Designing such legged robots requires considering heterogeneous, multi-domain constraints and variables, from mechanical hardware and geometry choices to controller profiles. However, very few formal or systematic (as opposed to ad hoc) design formulations and frameworks exist to identify feasible and robust running platforms, especially at the small (sub 500 g) scale. This critical gap in running legged robot design is addressed here by abstracting the motion of legged robots through a torque-driven spring-loaded inverted pendulum (TD-SLIP) model, and deriving constraints that result in stable cyclic forward locomotion in the presence of system noise. Synthetic noise is added to the initial state in candidate design evaluation to simulate accumulated errors in an open-loop control. The design space was defined in terms of morphological parameters, such as the leg properties and system mass, actuator selection, and an open loop voltage profile. These attributes were optimized with a well-known particle swarm optimization solver that can handle mixed-discrete variables. Two separate case studies minimized the difference in touchdown angle from stride to stride and the actuation energy, respectively. Both cases resulted in legged robot designs with relatively repeatable and stable dynamics, while presenting distinct geometry and controller profile choices.

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