Pinto: A latched spring actuated robot for jumping and perching
作者: Christopher Y. Xu, Jack Yan, Justin K. Yim
分类: cs.RO
发布日期: 2024-09-13
备注: Submitted to IEEE ICRA 2025, 7 pages
💡 一句话要点
Pinto：一种用于跳跃和栖息的闩锁弹簧驱动机器人，应用于树栖环境
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 树栖机器人 跳跃机器人 闩锁机构 串联弹性驱动 并联弹性储能
📋 核心要点
- 现有机器人难以在树栖环境中灵活移动，而松鼠等动物却能轻松穿梭，这构成了核心挑战。
- Pinto机器人采用闩锁串联弹性驱动器，结合扭曲绳索和碳纤维弹簧，实现轻量化和高能量存储。
- 通过切换串联和并联弹性模式，Pinto机器人能够进行高能量跳跃和连续控制，并使用带刺夹具进行高速栖息。
📝 摘要（中文）
本文介绍了一款名为“Pinto”的小型机器人（450克），专为树木跳跃而设计，这种行为常见于松鼠等动物，但在腿式机器人中很少见：从地面跳到垂直的树干上。我们开发了一种强大而轻便的闩锁串联弹性驱动器，使用扭曲的绳索和碳纤维弹簧。我们考虑了缩小传统四足机器人的影响，并通过实验表明，与串联弹性或无弹簧策略相比，使用闩锁以并联弹性方式存储能量可以增加跳跃能量。通过使用我们的闩锁五杆腿机构在串联和并联弹性模式之间切换，Pinto可以执行高能量跳跃，并在较短的跳跃运动期间保持连续控制。我们还开发了带有弹簧的2自由度手臂，配备带刺的夹具，用于在跳跃后抓住树皮进行高速栖息。
🔬 方法详解
问题定义：现有四足机器人难以在树栖环境中进行跳跃和栖息，尤其是在从地面跳跃到垂直树干上这一动作上表现不足。传统四足机器人在缩小尺寸时会面临能量效率和控制精度方面的挑战，难以实现高能量的跳跃动作。
核心思路：Pinto机器人的核心思路是利用闩锁串联弹性驱动器，结合并联弹性储能的优势，实现高能量的跳跃。通过在串联和并联弹性模式之间切换，机器人既能进行高能量跳跃，又能保持运动控制的灵活性。
技术框架：Pinto机器人的整体架构包括：1) 闩锁串联弹性驱动器，用于提供跳跃所需的能量；2) 五杆腿机构，用于在串联和并联弹性模式之间切换；3) 带弹簧的2自由度手臂，配备带刺夹具，用于抓取树皮实现栖息。机器人首先通过闩锁机构存储能量，然后在合适的时机释放能量进行跳跃。跳跃后，手臂上的夹具抓住树皮，实现高速栖息。
关键创新：Pinto机器人的关键创新在于其闩锁串联弹性驱动器，该驱动器能够有效地存储和释放能量，从而实现高能量的跳跃。与传统的串联弹性或无弹簧策略相比，该方法能够显著提高跳跃能量。此外，通过在串联和并联弹性模式之间切换，机器人能够兼顾高能量跳跃和运动控制的灵活性。
关键设计：闩锁机构的设计是关键。扭曲的绳索和碳纤维弹簧的选择旨在实现轻量化和高能量密度。五杆腿机构的几何参数需要仔细设计，以确保在串联和并联弹性模式之间平稳切换。手臂夹具上的刺的设计需要考虑抓取力和对树皮的损伤。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，Pinto机器人能够成功地从地面跳跃到垂直的树干上，并实现高速栖息。通过闩锁机构存储能量，跳跃能量显著高于传统的串联弹性或无弹簧策略。具体性能数据未知，但论文强调了并联弹性储能策略在提高跳跃能量方面的优势。
🎯 应用场景
Pinto机器人的技术可应用于环境监测、灾害救援、以及农业领域的树木巡检等场景。该研究为开发更灵活、适应性更强的机器人提供了一种新的思路，未来有望应用于更复杂的树栖环境，例如森林勘探和野生动物观察。
📄 摘要（原文）
Arboreal environments challenge current robots but are deftly traversed by many familiar animal locomotors such as squirrels. We present a small, 450 g robot "Pinto" developed for tree-jumping, a behavior seen in squirrels but rarely in legged robots: jumping from the ground onto a vertical tree trunk. We develop a powerful and lightweight latched series-elastic actuator using a twisted string and carbon fiber springs. We consider the effects of scaling down conventional quadrupeds and experimentally show how storing energy in a parallel-elastic fashion using a latch increases jump energy compared to series-elastic or springless strategies. By switching between series and parallel-elastic modes with our latched 5-bar leg mechanism, Pinto executes energetic jumps as well as maintains continuous control during shorter bounding motions. We also develop sprung 2-DoF arms equipped with spined grippers to grasp tree bark for high-speed perching following a jump.