Design and Experimental Verification of a Jumping Legged Robot for Martian Lava Tube Exploration
作者: Jørgen Anker Olsen, Kostas Alexis
分类: cs.RO
发布日期: 2023-11-07
备注: 21st International Conference on Advanced Robotics (ICAR 2023)
💡 一句话要点
提出一种跳跃腿式机器人以探索火星熔岩管道
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 火星探索 跳跃机器人 腿式机器人 低重力运动 5杆机构 资源开采 复杂地形适应
📋 核心要点
- 现有的探索机器人在火星低重力环境下的运动能力不足，难以有效应对熔岩管道的复杂地形。
- 本文提出了一种新型腿式机器人，采用可调节的腿部配置和扭矩控制的驱动器，以增强其跳跃能力和适应性。
- 实验结果显示，机器人在地球重力下的跳跃高度达到1.141米，模拟结果表明在火星重力下可实现3.63米的跳跃，显著提升了运动能力。
📝 摘要（中文）
火星熔岩管道在资源开采和栖息地庇护方面的潜力，促使我们开发能够执行艰巨探索任务的机器人。本文介绍了一种优化设计的腿式机器人系统，适用于火星低重力环境，具备双足和四足系统的腿部配置。该设计采用扭矩控制的驱动器与弹簧结合，实现高效跳跃、稳健的运动和节能的休息姿态。关键设计特征包括5杆机构作为腿部概念，结合高强度绳索连接的弹簧。经过优化的5杆连杆长度和弹簧刚度使得在火星重力下最大化跳跃高度。实验结果表明，原型机器人在地球重力下的跳跃高度达到1.141米，模拟显示在火星重力下可达到3.63米，展示了跳跃作为一种运动形式的多样性。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决现有探索机器人在火星低重力环境下运动能力不足的问题，特别是在复杂地形中的适应性和跳跃能力。现有方法在应对熔岩管道等障碍物时表现不佳。
核心思路：论文提出了一种优化的腿式机器人设计，结合扭矩控制的驱动器与弹簧，以实现高效的跳跃和稳健的运动。该设计允许机器人在双足和四足模式之间切换，增强了其适应性。
技术框架：整体架构包括腿部的5杆机构设计，驱动系统采用扭矩控制的电机，结合弹簧以提供额外的跳跃动力。机器人通过优化的腿部配置和弹簧刚度，最大化在火星重力下的跳跃高度。
关键创新：最重要的技术创新在于5杆机构的设计和扭矩控制的驱动系统，使得机器人在低重力环境下能够实现更高的跳跃高度，这与传统的轮式或履带式机器人有本质区别。
关键设计：关键参数包括5杆连杆的长度和弹簧的刚度，这些参数经过优化以确保在火星重力下的最佳跳跃性能。机器人高度为0.472米，重量为7.9千克，适合在火星环境中进行探索。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，机器人在地球重力下的跳跃高度达到1.141米，模拟结果表明在火星重力下可实现3.63米的跳跃，展示了其在低重力环境中的优越性能。这一成果显著提升了机器人在复杂地形中的适应能力。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括火星探测、资源开采和人类居住环境的建立。通过开发能够在复杂地形中灵活运动的机器人，未来可以更有效地进行火星表面的探索和开发，推动人类对火星的深入了解和利用。
📄 摘要（原文）
The potential of Martian lava tubes for resource extraction and habitat sheltering highlights the need for robots capable to undertake the grueling task of their exploration. Driven by this motivation, in this work we introduce a legged robot system optimized for jumping in the low gravity of Mars, designed with leg configurations adaptable to both bipedal and quadrupedal systems. This design utilizes torque-controlled actuators coupled with springs for high-power jumping, robust locomotion, and an energy-efficient resting pose. Key design features include a 5-bar mechanism as leg concept, combined with springs connected by a high-strength cord. The selected 5-bar link lengths and spring stiffness were optimized for maximizing the jump height in Martian gravity and realized as a robot leg. Two such legs combined with a compact body allowed jump testing of a bipedal prototype. The robot is 0.472 m tall and weighs 7.9 kg. Jump testing with significant safety margins resulted in a measured jump height of 1.141 m in Earth's gravity, while a total of 4 jumping experiments are presented. Simulations utilizing the full motor torque and kinematic limits of the design resulted in a maximum possible jump height of 1.52 m in Earth's gravity and 3.63 m in Mars' gravity, highlighting the versatility of jumping as a form of locomotion and overcoming obstacles in lower gravity.