Design and Control of a Bio-inspired Wheeled Bipedal Robot

要約

車輪付き二足歩行ロボット (WBR) は、機敏で多用途な移動タスクを実行する機能を備えています。
このペーパーでは、ハードウェア開発とソフトウェア開発の両方における革新を通じて WBR の動的パフォーマンスを向上させることに焦点を当てています。
図 1 に示すように、人間のバーベル スクワットにヒントを得たバイオニック機械設計が提案され、実装されています。ベース リンクの比較的広い作業スペースを維持しながら、重量を股関節と膝関節に分散して関節モーターの効率を向上させます。
一方、理論的に保証された安定性と効率的な計算のために、高さ可変車輪付き線形倒立振子 (HV-wLIP) モデル、制御リアプノフ関数 (CLF) および全身ダイナミクスを合成する、新しいモデルベースのコントローラーが考案されています。
他の代替手段と比較して、WBR ダイナミクスのより正確な近似として、HV-wLIP はより機敏な応答を可能にし、WBR コントローラー設計の理論的基礎を提供できます。
実験結果は、ロボットが人間のようなディープスクワットを実行でき、基本状態を操作しながら追跡 CoM 速度を維持できることを示しています。
さらに、野生下においても外乱や未知の地形に対して堅牢性を発揮しました。

要約(オリジナル)

Wheeled bipedal robots (WBRs) have the capability to execute agile and versatile locomotion tasks. This paper focuses on improving the dynamic performance of WBRs through innovations in both hardware and software development. Inspired by the human barbell squat, a bionic mechanical design is proposed and implemented as shown in Fig. 1. It distributes the weight onto its hip and knee joints to improve the effectiveness of joint motors while maintaining a relatively large workspace of the base link. Meanwhile, a novel model-based controller is devised, synthesizing height-variable wheeled linear inverted pendulum (HV-wLIP) model, Control Lyapunov Function (CLF) and whole-body dynamics for theoretically guaranteed stability and efficient computation. Compared with other alternatives, as a more accurate approximation of the WBR dynamics, the HV-wLIP can enable more agile response and provide theory basis for WBR controller design. Experimental results demonstrate that the robot could perform human-like deep squat, and is capable of maintaining tracking CoM velocity while manipulating base states. Furthermore, it exhibited robustness against external disturbances and unknown terrains even in the wild.

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