PANDORA: The Open-Source, Structurally Elastic Humanoid Robot
作者: Connor W. Herron, Alexander J. Fuge, Benjamin C. Beiter, Zachary J. Fuge, Nicholas J. Tremaroli, Stephen Welch, Maxwell Stelmack, Madeline Kogelis, Philip Hancock, Ivan Fischman Ekman Simoes, Christian Runyon, Isaac Pressgrove, Alexander Leonessa
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-07-26
备注: This work has been submitted to the IEEE for possible publication
💡 一句话要点
PANDORA：一种基于3D打印柔性材料的开源结构弹性人形机器人
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 人形机器人 结构弹性 3D打印 开源机器人 柔性材料
📋 核心要点
- 传统人形机器人设计复杂、成本高昂，且依赖刚性结构和复杂的执行器弹性元件。
- PANDORA采用3D打印柔性材料构建结构，实现结构弹性，简化设计并降低成本。
- 实验验证了PANDORA在扰动下保持平衡和步行的能力，展示了其鲁棒性。
📝 摘要（中文）
本文介绍了一种新颖的开源人形机器人PANDORA，其大部分结构元件采用3D打印的柔性材料制造。与将弹性元件集成到执行器机构中的传统方法不同，PANDORA被设计为在负载下具有柔性，或者说是结构弹性。这种设计方法降低了制造成本和时间、设计复杂性以及组装时间，同时也给状态估计、关节和全身控制带来了控制方面的挑战。本文详细描述了机械和电气子系统，包括增材制造的优点和缺点、传感器的使用和放置以及设备之间的网络连接。此外，还讨论了结构弹性组件的设计及其从估计和控制角度对整体性能的影响。最后，展示了机器人完成在存在扰动和步进行为下的鲁棒平衡目标的实验结果。
🔬 方法详解
问题定义：传统人形机器人通常采用刚性结构和复杂的执行器来实现运动和平衡。这种设计方式导致制造成本高昂、设计复杂，并且在受到冲击时容易损坏。此外，将弹性元件集成到执行器中也增加了系统的复杂性。因此，需要一种更简单、更经济、更鲁棒的人形机器人设计方法。
核心思路：PANDORA的核心思路是利用3D打印技术制造具有结构弹性的机器人。通过使用柔性材料作为机器人的主要结构元件，PANDORA能够在负载下产生形变，从而吸收冲击能量，提高机器人的鲁棒性。这种结构弹性设计简化了机器人的机械结构，降低了制造成本和组装时间。
技术框架：PANDORA的整体架构包括机械子系统、电气子系统和控制系统。机械子系统主要由3D打印的柔性结构元件组成，这些元件构成了机器人的骨骼和关节。电气子系统包括传感器（如IMU、力/扭矩传感器）和执行器（如电机），用于感知环境和控制机器人的运动。控制系统负责状态估计、关节控制和全身控制，以实现机器人的平衡和运动。
关键创新：PANDORA的关键创新在于其结构弹性设计。与传统机器人将弹性元件集成到执行器中不同，PANDORA直接利用柔性材料的形变来实现弹性。这种设计方式简化了机械结构，降低了制造成本，并提高了机器人的鲁棒性。此外，PANDORA是开源的，促进了人形机器人研究的开放性和可重复性。
关键设计：PANDORA的关键设计包括柔性材料的选择、结构元件的几何形状设计以及控制算法的设计。柔性材料需要具有足够的强度和弹性，以承受机器人的重量和运动产生的力。结构元件的几何形状需要经过优化，以实现所需的弹性特性。控制算法需要考虑结构弹性对机器人运动的影响，并进行相应的补偿。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，PANDORA能够在存在扰动的情况下保持平衡，并完成步行动作。这证明了其结构弹性设计的有效性和控制系统的鲁棒性。虽然论文中没有提供具体的性能数据，但实验结果表明PANDORA在平衡和步态控制方面具有良好的性能。
🎯 应用场景
PANDORA的结构弹性设计使其在需要高鲁棒性和适应性的应用场景中具有潜力，例如灾难救援、探索未知环境和人机协作。其开源特性也使其成为机器人研究和教育的理想平台，促进人形机器人技术的进步。
📄 摘要（原文）
In this work, the novel, open-source humanoid robot, PANDORA, is presented where a majority of the structural elements are manufactured using 3D-printed compliant materials. As opposed to contemporary approaches that incorporate the elastic element into the actuator mechanisms, PANDORA is designed to be compliant under load, or in other words, structurally elastic. This design approach lowers manufacturing cost and time, design complexity, and assembly time while introducing controls challenges in state estimation, joint and whole-body control. This work features an in-depth description on the mechanical and electrical subsystems including details regarding additive manufacturing benefits and drawbacks, usage and placement of sensors, and networking between devices. In addition, the design of structural elastic components and their effects on overall performance from an estimation and control perspective are discussed. Finally, results are presented which demonstrate the robot completing a robust balancing objective in the presence of disturbances and stepping behaviors.