可调腿部刚度在单足跳跃机器人中用于跨越不同地面轮廓的高效 垂直跳跃.pdfVIP

可调腿部刚度在单足跳跃机器人中用于跨越不同地面轮廓的高效

垂直跳跃

RongqianChen,JunKwon,KefanWuandWei-HsiChen

Abstract—我们介绍了HASTA（用于地形适应的可调受益于由于直驱电机的低齿轮比而产生的快速响应时

刚度跳杆）的设计与实现，这是一种具有实时可调腿部刚性的间[8],[9]，但它们也因焦耳损耗而导致快速升温[10]。

垂直跳跃机器人，旨在优化其在各种地面轮廓上的能效（一组

此外，基于软件的解决方案缺乏被动顺从性的能量存

地面刚性和阻尼条件）。通过调整腿部刚性，我们的目标是最大

化最高跳跃高度，这是垂直跳跃节能的关键指标。我们假设较储优势，并且需要更高的计算资源[11],[12]。

软的腿部在柔软且有阻尼的地面上表现更好，可以减少穿透和另一方面，基于硬件的可调刚性机制通过将机械

能量损失，而更硬的腿部在坚硬且阻尼较小的地面上表现出色，设计与执行器集成来物理改变系统的机械属性。这些

本能够减少肢体变形和能量耗散。通过实验测试和仿真，我们在

系统具有减少对主动能量输入的需求[13],[14],[15]、

译每种地面刚性和阻尼条件组合中找到最佳的腿部刚性，使机器增强稳定性和适应性以及能够降低高冲击力[9],[16]

人能够在恒定的能量输入下达到最大的稳态跳跃高度。这些结

中果支持我们的假设，即可调刚性在受控实验条件下改善了节能等优势。然而，由于其复杂的机制，它们往往更大更

1运动。此外，模拟提供了有助于未来控制器开发以选择腿部刚重，并且在实时调整时通常响应时间较慢[17]。

v性的见解。

3在这项工作中，我们介绍了HASTA（用于地形适

7I.介绍应的可调刚度跃进器），通过我们在先前工作[18]中开

8

2虽然机器人运动可以在单一类型的地形上优化能发的气动波纹管执行器实现了可调节刚度的垂直跳跃

0

8.量效率，但在不同地形间保持这种效率则是一个重大机器人。该系统使我们能够探索在柔顺腿中调整刚度

0挑战。在自然界中，人类[1],[2]和动物[3],[4]动态如何提高行走性能，提供能量存储的优势、改进的动

5

2调整四肢的刚度以适应变化的地表条件，从而能够在力响应以及减少重量和控制复杂性，因为不需要外部

:

v多样化的地面上更高效地移动。受到这一启发，研究空气源。在垂直跳跃的背景下，我们的目标是实现节

i

x人员探索了机器人中的可调刚度，以提高其在多样化能行走，其中能效由给定固定输入能量下的稳定状态

r

a环境中的适应性和性能。跳跃高度定义。

1)可调刚度:在机器人技术中，可调刚度可以2)各种地形上的节能运动:跨多种地面条件的运

通过两种主要方法实现：基于软件的虚拟顺从性和动需要在安全性、鲁棒性、工作空间和能源效率之间

基于硬件的可变刚度执行器。通过使用力或位置反取得平衡，使其成为一个多目标优化问题。作为第一

馈的阻抗控制实现基于软件的虚拟顺从性，允许通步，本研究集中在能源效率上，探讨可调刚度如何优

过各种控制策略实现实时刚度调整，从而产生类似弹化不同地面轮廓下的跳跃性能。

簧的动力学特性。该方法的示例可见于ANYmal[5]、为了分析目的，地面通常被建模为弹簧和阻尼器

Minitaur[6]和MITCheetah[7]等机器人。这些系统的网络[17],[19],[20]。虽然有关于针对不同地面条

件调节腿部刚度的研究存在，但它主要集中在模拟并

R.ChenisatGeor