It is often overlooked by roboticists when designing locomotion controllers for their legged machines, that energy consumption plays an important role in selecting the best gaits for locomotion at high speeds or over long distances. The purpose of this study is to examine four similar asymmetrical quadrupedal gaits that are frequently observed in legged animals in nature. To understand how a specific footfall pattern will change the energetics of a legged system, we first developed a full body model of a quadrupedal robot called A1. And for each gait we created a hybrid system with desired footfall sequence and rigid impacts. In order to find the most energy efficient gait, we used optimal control methods to formulate the problem as a trajectory optimization problem with proper constraints and objective function. This problem was implemented and solved in a nonlinear programming framework called FROST. Based on the optimized trajectories for each gait, we investigated the values of cost of transport and the work done by all joints. Moreover, we analyzed the exchange of angular momentum in different components of the system during the whole stride cycle. According to the simulation results, bounding with two flight phases is likely to be the most energy efficient gait for A1 across a wide range of speed.


翻译:机器人在设计其腿部机器的动能控制器时往往忽略了这一点,即能源消耗在选择高速或长途移动的最佳步数方面起着重要作用。本研究的目的是研究在自然的脚部动物中经常观察到的四种相似的对称四重曲数。为了了解一个特定的脚下模式将如何改变腿部系统的能量,我们首先开发了一个四重机器人的全体模型A1。对于每一个步数,我们创造了一个混合系统,有理想的脚落序列和僵硬影响。为了找到最节能的步数,我们使用了最佳的控制方法来将问题发展成一个轨迹优化问题,有适当的限制和客观功能。这个问题是在称为FROST的非线性编程编程框架中执行和解决的。根据每个毛部的最佳轨轨迹,我们研究了运输成本和所有合体所完成的工作的价值。此外,我们分析了整个轮子周期内系统不同组成部分的角力动力的交换情况。为了找到最高效的节奏,我们使用了最佳的控制方法来将问题发展成轨迹优化的轨迹。根据最广泛的飞行速度进行模拟。</s>

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