Tensegrity-based Robot Leg Design with Variable Stiffness

要約

動物は、脚の剛性を細かく調節して、複雑な地形と相互作用し、突然の衝撃を吸収できます。
跳躍やスプリントなどの偉業では、動物は関節の剛性を積極的に調節する対立する筋肉ペアの洗練された相互作用を示しますが、腱と靭帯は生物学的スプリングを貯蔵および放出するエネルギーとして機能します。
脚のあるロボットは堅牢な運動において顕著な進歩を達成していますが、動物の運動制御に固有の洗練された適応性がまだ欠けています。
脚の剛性の積極的な制御を可能にするメカニズムを統合すると、より回復力のあるロボットシステムへの経路が提示されます。
このペーパーでは、柔軟性のあるケーブルと剛性要素を組み合わせて緊張と圧縮のバランスをとる構造的原理であるTensegrityに基づいて、コンプライアンスをロボット脚に統合するための新しい機械的設計を提案します。
TenseGrity構造は、自然に受動的コンプライアンスを可能にし、それらを衝撃を吸収し、多様な地形に適応するのに適しています。
私たちの設計は、テンセグリティジョイントを備えたロボット脚と、ケーブル作動システムの張力を調節することにより、ジョイントの回転剛性を制御するメカニズムを備えています。
ロボットの脚は、突然の衝撃の衝撃力を少なくとも34.7％減らし、剛性構成を調整することにより10.26 Nの負荷差で同様の脚の屈曲を達成できることを実証します。
結果は、Tensegrityベースの脚の設計が、より回復力があり、適応性のある脚のロボットに向かう可能性を秘めていることを示しています。

要約(オリジナル)

Animals can finely modulate their leg stiffness to interact with complex terrains and absorb sudden shocks. In feats like leaping and sprinting, animals demonstrate a sophisticated interplay of opposing muscle pairs that actively modulate joint stiffness, while tendons and ligaments act as biological springs storing and releasing energy. Although legged robots have achieved notable progress in robust locomotion, they still lack the refined adaptability inherent in animal motor control. Integrating mechanisms that allow active control of leg stiffness presents a pathway towards more resilient robotic systems. This paper proposes a novel mechanical design to integrate compliancy into robot legs based on tensegrity – a structural principle that combines flexible cables and rigid elements to balance tension and compression. Tensegrity structures naturally allow for passive compliance, making them well-suited for absorbing impacts and adapting to diverse terrains. Our design features a robot leg with tensegrity joints and a mechanism to control the joint’s rotational stiffness by modulating the tension of the cable actuation system. We demonstrate that the robot leg can reduce the impact forces of sudden shocks by at least 34.7 % and achieve a similar leg flexion under a load difference of 10.26 N by adjusting its stiffness configuration. The results indicate that tensegrity-based leg designs harbors potential towards more resilient and adaptable legged robots.

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