Explosive Legged Robotic Hopping: Energy Accumulation and Power Amplification via Pneumatic Augmentation
作者: Yifei Chen, Arturo Gamboa-Gonzalez, Michael Wehner, Xiaobin Xiong
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2023-12-10
备注: 8 pages, 10 figures. Updated version
💡 一句话要点
提出一种气动增强的腿式机器人跳跃方法，实现能量积累和功率放大
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 腿式机器人 气动增强 能量积累 功率放大 爆发性跳跃
📋 核心要点
- 传统电动腿式机器人难以实现高爆发性跳跃，主要受限于电机功率密度。
- 论文提出一种气动增强方法，通过气动系统积累能量，并在需要时快速释放，辅助电机实现爆发性跳跃。
- 实验表明，该方法能显著提高跳跃高度，功率放大倍数达到单独电机驱动的5.4倍。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种新颖的气动增强方法，用于传统的电动腿式机器人，以提高间歇性功率密度，从而实现不频繁的爆发性跳跃行为。该气动系统由气动泵、储气罐和气动执行器组成。储气罐由泵在电动马达产生的常规跳跃运动期间充气。在储气罐达到所需气压后的任何时间，利用电磁阀快速释放气压到气动执行器（活塞），该执行器与电动马达结合使用，以执行爆发性跳跃，从而在一次或后续循环中增加最大跳跃高度。在一个定制设计的单腿跳跃机器人上，在没有任何额外电源的情况下，通过这种新颖的气动增强系统及其相关的系统辨识和最优控制，机器人能够实现高度爆发性的跳跃，每次循环的功率放大倍数约为单独电动马达驱动功率的5.4倍。
🔬 方法详解
问题定义：现有电动腿式机器人难以实现高爆发性跳跃，因为电机的功率密度有限，无法提供足够的瞬时功率来完成爆发性动作。这限制了机器人的运动能力和适用场景。
核心思路：论文的核心思路是利用气动系统作为辅助动力源，在常规运动中积累能量（通过气泵向储气罐充气），在需要爆发性跳跃时快速释放能量，与电机协同工作，从而实现功率放大。这种设计可以在不增加额外电源的情况下，显著提高机器人的瞬时功率输出。
技术框架：整体框架包括一个单腿跳跃机器人，配备电动马达和气动增强系统。气动系统包含气动泵、储气罐和气动执行器（活塞）。电动马达负责常规跳跃运动，气动泵负责向储气罐充气。当储气罐达到预设气压后，电磁阀控制气压释放到气动执行器，辅助电机进行爆发性跳跃。系统辨识用于建立机器人和气动系统的精确模型，最优控制算法用于协调电机和气动执行器的动作，实现最佳跳跃效果。
关键创新：最重要的创新点在于将气动系统与电动马达相结合，实现能量积累和功率放大。与传统的纯电动或纯气动机器人相比，这种混合驱动方式兼具了电动马达的精确控制和气动系统的瞬时高功率输出的优点。此外，通过系统辨识和最优控制，实现了电机和气动系统的协同控制，进一步提高了系统的性能。
关键设计：关键设计包括储气罐的容量、气动执行器的尺寸、电磁阀的响应速度等参数的优化。系统辨识采用适当的辨识方法（具体方法未知）建立机器人和气动系统的动态模型。最优控制算法（具体算法未知）用于计算电机和气动执行器的最佳控制策略，以最大化跳跃高度或能量效率。论文中提到系统辨识和最优控制，但具体细节未详细描述。
📊 实验亮点
实验结果表明，在定制设计的单腿跳跃机器人上，通过气动增强系统，机器人实现了高度爆发性的跳跃，每次循环的功率放大倍数约为单独电动马达驱动功率的5.4倍。这意味着在不增加额外电源的情况下，机器人的跳跃能力得到了显著提升。具体的跳跃高度数据和与其他基线的对比情况未知。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于需要高爆发力的腿式机器人，例如搜救机器人、运动机器人和地形适应性强的机器人。通过气动增强，机器人可以克服障碍物，实现更灵活的运动，从而在复杂环境中执行任务。未来，该技术有望扩展到其他类型的机器人，例如双足机器人和四足机器人，提高其运动能力和适应性。
📄 摘要（原文）
We present a novel pneumatic augmentation to traditional electric motor-actuated legged robot to increase intermittent power density to perform infrequent explosive hopping behaviors. The pneumatic system is composed of a pneumatic pump, a tank, and a pneumatic actuator. The tank is charged up by the pump during regular hopping motion that is created by the electric motors. At any time after reaching a desired air pressure in the tank, a solenoid valve is utilized to rapidly release the air pressure to the pneumatic actuator (piston) which is used in conjunction with the electric motors to perform explosive hopping, increasing maximum hopping height for one or subsequent cycles. We show that, on a custom-designed one-legged hopping robot, without any additional power source and with this novel pneumatic augmentation system, their associated system identification and optimal control, the robot is able to realize highly explosive hopping with power amplification per cycle by a factor of approximately 5.4 times the power of electric motor actuation alone.