Impact of Leg Stiffness on Energy Efficiency in One Legged Hopping

要約

ロボット工学や生体力学の分野では、バネや腱などの弾性要素を脚システムに組み込むことで、エネルギー効率の高い移動が可能になることが長い間認識されてきました。
しかし、重要な課題は依然として存在します。それは、さまざまな動作条件、特に平均前進速度が変化しても一貫して動作するロボット脚を設計することです。
このような動作条件の範囲では、弾性要素の剛性を変更する必要があるのか​​、それとも剛性を固定したまま動きや作動を変更することで同様の性能が得られるのかは不明のままです。
この研究では、単足ロボットの周期的なホッピング運動の広範なパラメトリック研究を通じて、単足ロボットのエネルギー効率に対する脚の剛性の影響を調査しています。
この目的を達成するために、平均前進速度と脚の剛性によってパラメータ化された最適な制御問題を定式化し、直接コロケーションを使用して数値的に解決します。
私たちの調査結果は、固定剛性の使用と比較して、脚システムで可変剛性を採用すると、さまざまな速度範囲にわたってエネルギー効率が最大で 20 %、平均で 6.8 % 向上することを示しています。

要約(オリジナル)

In the fields of robotics and biomechanics, the integration of elastic elements such as springs and tendons in legged systems has long been recognized for enabling energy-efficient locomotion. Yet, a significant challenge persists: designing a robotic leg that perform consistently across diverse operating conditions, especially varying average forward speeds. It remains unclear whether, for such a range of operating conditions, the stiffness of the elastic elements needs to be varied or if a similar performance can be obtained by changing the motion and actuation while keeping the stiffness fixed. This work explores the influence of the leg stiffness on the energy efficiency of a monopedal robot through an extensive parametric study of its periodic hopping motion. To this end, we formulate an optimal control problem parameterized by average forward speed and leg stiffness, solving it numerically using direct collocation. Our findings indicate that, compared to the use of a fixed stiffness, employing variable stiffness in legged systems improves energy efficiency by 20 % maximally and by 6.8 % on average across a range of speeds.

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