Optimizing Dynamic Balance in a Rat Robot via the Lateral Flexion of a Soft Actuated Spine

要約

背骨を使って体のバランスをとることは、哺乳類にとって筋力によって最も効率よく姿勢を整える生理的なアライメントである。このため、四足歩行をする動物の中には、3本の手足があっても立ったり歩いたりすることができるものも少なくない。本論文では、脊髄の屈曲に影響される重心（CoM）と支持領域の空間的関係に基づいて、トロット歩行中の動的バランスの最適化について検討する。トロット歩行において、ロボットのバランスは、対角の足場によって形成される支持領域に対するCoMの距離に大きく影響される。この観点から、足場の位置を変更することができる脊柱の側方屈曲は、トロット走行中のバランスを最適化するために有望である。本論文では、柔らかい作動脊椎を備えたラットロボットを用いて、この現象を探求する。脊柱の側屈に基づき、脊柱の屈曲がトロット歩行中のロボットのバランスに与える影響を定量化するための運動モデルを確立する。その後、脚の運動量を変化させることなくバランスを向上させるように設計された、脊椎屈曲の最適化コントローラを開発する。提案するコントローラの有効性は、大規模なシミュレーションとラットロボットを用いた物理実験により評価した。脊椎を用いないトロット歩行コントローラや、脊椎を外側に屈曲させるトロット歩行コントローラと比較して、我々の提案する最適化されたコントローラは、ロボットの動的バランスを効果的に改善し、トロット歩行中の望ましいロコモーションを保持する。

要約(オリジナル)

Balancing oneself using the spine is a physiological alignment of the body posture in the most efficient manner by the muscular forces for mammals. For this reason, we can see many disabled quadruped animals can still stand or walk even with three limbs. This paper investigates the optimization of dynamic balance during trot gait based on the spatial relationship between the center of mass (CoM) and support area influenced by spinal flexion. During trotting, the robot balance is significantly influenced by the distance of the CoM to the support area formed by diagonal footholds. In this context, lateral spinal flexion, which is able to modify the position of footholds, holds promise for optimizing balance during trotting. This paper explores this phenomenon using a rat robot equipped with a soft actuated spine. Based on the lateral flexion of the spine, we establish a kinematic model to quantify the impact of spinal flexion on robot balance during trot gait. Subsequently, we develop an optimized controller for spinal flexion, designed to enhance balance without altering the leg locomotion. The effectiveness of our proposed controller is evaluated through extensive simulations and physical experiments conducted on a rat robot. Compared to both a non-spine based trot gait controller and a trot gait controller with lateral spinal flexion, our proposed optimized controller effectively improves the dynamic balance of the robot and retains the desired locomotion during trotting.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, DeepL