Design of a 3-DOF Hopping Robot with an Optimized Gearbox: An Intermediate Platform Toward Bipedal Robots

要約

このペーパーでは、人間のような下肢のジョイント構成と、ダイナミックで反復的なジャンプモーションを実行できる平らな足を備えた3DOFホッピングロボットを紹介します。
効率的なケーブルルーティングのために、高トルク出力と大きな中空シャフト直径の両方を実現するために、ギア歯の最適化のために混合整数非線形プログラミングを使用して、コンパクトな3Kコンパウンドプラネタリーギアボックスを設計しました。
制約されたジョイントジオメトリ内のパフォーマンス要件を満たすために、アクチュエーター、モータードライバー、および通信インターフェイスを含むすべての主要なコンポーネントがカスタム設計されています。
ロボットの重量は12.45 kg、ダミー質量を含む、膝関節が完全に伸びているときに長さ840 mmです。
強化学習ベースのコントローラーが採用され、ロボットのパフォーマンスはハードウェア実験を通じて検証され、ユーザーの入力に応じて安定した繰り返しホッピングモーションを実証しました。
これらの実験結果は、プラットフォームが将来の二足歩行ロボット開発の強固な基盤として機能することを示しています。

要約(オリジナル)

This paper presents a 3-DOF hopping robot with a human-like lower-limb joint configuration and a flat foot, capable of performing dynamic and repetitive jumping motions. To achieve both high torque output and a large hollow shaft diameter for efficient cable routing, a compact 3K compound planetary gearbox was designed using mixed-integer nonlinear programming for gear tooth optimization. To meet performance requirements within the constrained joint geometry, all major components-including the actuator, motor driver, and communication interface-were custom-designed. The robot weighs 12.45 kg, including a dummy mass, and measures 840 mm in length when the knee joint is fully extended. A reinforcement learning-based controller was employed, and robot’s performance was validated through hardware experiments, demonstrating stable and repetitive hopping motions in response to user inputs. These experimental results indicate that the platform serves as a solid foundation for future bipedal robot development.

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