Design and Control of a High-Performance Hopping Robot

📄 arXiv: 2312.08301v2 📥 PDF

作者: Samuel Burns, Matthew Woodward

分类: cs.RO

发布日期: 2023-12-13 (更新: 2024-12-30)

备注: 8 pages, 7 figures

DOI: 10.1109/LRA.2025.3560884

💡 一句话要点

设计并控制高性能跳跃机器人，实现超过当前技术水平2.4倍的跳跃高度。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 单腿跳跃机器人 机器人设计 运动控制 能量效率 高比能量

📋 核心要点

  1. 跳跃机器人能量存储时间长，限制了其在复杂地形下的运动能力，而单腿跳跃机器人能够更高效地利用能量。
  2. 通过分析、仿真和实验，论文提出了一套单腿跳跃机器人的设计原则，旨在实现高效、稳健和高能量输入。
  3. 实验结果表明，所设计的机器人MultiMo-MHR能够跳跃超过4米，显著超越了现有技术水平，并能承受高速冲击。

📝 摘要（中文）

跳跃和单腿跳跃是穿越非结构化崎岖地形的有效方式，前者一直是机器人研究人员的重点；但这种重点最近正在发生变化。这种重点已经显著提升了跳跃机器人的性能和理解，但由于它们需要在跳跃之间花费大量时间来储存能量，因此实际应用有限，从而将跳跃降级为运动的次要角色。然而，单腿跳跃运动可以在没有长时间能量储存的情况下，将能量保存并转移到后续跳跃中。然而，将跳跃系统中观察到的性能融入到单腿跳跃系统中仍然是一个持续的挑战。迄今为止，单腿跳跃机器人通常在1米左右运行，最高可达1.63米，而跳跃机器人已经达到了30米的高度。这是由于开发一个能够输入和储存必要能量，同时承受所涉及的力并管理系统状态的系统，在设计和控制上增加了复杂性。本文通过分析、模拟和实验结果，报告了高效、稳健、高比能量和高能量输入系统的单腿跳跃机器人设计原则。由此产生的机器人(MultiMo-MHR)可以跳跃超过4米(约为当前最先进水平的2.4倍)，并且被设计成能够承受终端速度(≥30.7米/秒)下的冲击。

🔬 方法详解

问题定义：现有跳跃机器人虽然在跳跃高度上表现出色，但由于需要较长的能量存储时间，限制了其在复杂地形下的连续运动能力。单腿跳跃机器人虽然能够更高效地利用能量进行连续跳跃，但其跳跃高度和整体性能远低于跳跃机器人。因此，如何设计和控制高性能的单腿跳跃机器人，使其在跳跃高度和连续运动能力上都达到较高水平，是一个亟待解决的问题。

核心思路：论文的核心思路是通过优化机器人的设计和控制策略，实现高效的能量输入、存储和释放，从而提高单腿跳跃机器人的跳跃高度和运动性能。具体而言，论文关注于设计具有高比能量和高能量输入能力的机器人结构，并开发相应的控制算法来管理机器人的状态和能量流动。

技术框架：论文的研究方法包括以下几个阶段：首先，通过理论分析确定单腿跳跃机器人的关键设计参数和性能指标。其次，利用仿真工具对不同设计方案进行评估和优化。最后，基于仿真结果构建实际的机器人原型MultiMo-MHR，并通过实验验证其性能。整个框架涉及机器人结构设计、动力学建模、控制算法开发和实验验证等多个环节。

关键创新：论文的关键创新在于提出了一套针对单腿跳跃机器人的设计原则，这些原则强调了高效的能量输入、存储和释放，以及对机器人状态的精确控制。与现有方法相比，该方法更加注重能量的有效利用和系统的整体性能优化，从而实现了更高的跳跃高度和更强的运动能力。

关键设计：论文中涉及的关键设计包括：1) 机器人腿部的结构设计，需要考虑材料的选择、几何形状的优化以及减震系统的设计，以实现高比能量和高能量输入能力；2) 驱动系统的选择和配置，需要考虑功率密度、响应速度和控制精度，以实现快速和精确的能量输入；3) 控制算法的设计，需要考虑机器人的状态估计、运动规划和力控制，以实现稳定和高效的跳跃运动。

📊 实验亮点

实验结果表明，所设计的机器人MultiMo-MHR能够跳跃超过4米，达到了当前技术水平的2.4倍。此外，该机器人还被设计成能够承受终端速度（≥30.7米/秒）下的冲击，表明其具有很强的鲁棒性和可靠性。这些实验结果验证了论文提出的设计原则的有效性，并为高性能单腿跳跃机器人的研究提供了重要的参考。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于搜救、侦察、物流等领域。高性能的单腿跳跃机器人能够快速穿越复杂地形，执行人类难以完成的任务。例如，在地震灾害现场，机器人可以利用其跳跃能力快速到达救援地点，搜寻幸存者。在军事侦察中，机器人可以穿越崎岖地形，获取敌方情报。在物流领域，机器人可以用于最后一公里的配送，提高配送效率。

📄 摘要（原文）

Jumping and hopping locomotion are efficient means of traversing unstructured rugged terrain with the former being the focus of roboticists; a focus that has recently been changing. This focus has led to significant performance and understanding in jumping robots but with limited practical applications as they require significant time between jumps to store energy, thus relegating jumping to a secondary role in locomotion. Hopping locomotion, however, can preserve and transfer energy to subsequent hops without long energy storage periods. However, incorporating the performance observed in jumping systems into their hopping counterparts is an ongoing challenge. To date, hopping robots typically operate around 1 meter with a maximum of 1.63 m whereas jumping robots have reached heights of 30 m. This is due to the added design and control complexity inherent in developing a system able to input and store the necessary energy while withstanding the forces involved and managing the system's state. Here we report hopping robot design principles for efficient, robust, high-specific energy, and high-energy input systems through analytical, simulation, and experimental results. The resulting robot (MultiMo-MHR) can hop over 4 meters ($\sim$2.4x the current state-of-the-art) and is designed to withstand impact at terminal velocity ($\geq 30.7$ m).