Legged robots are promising candidates for exploring challenging areas on low-gravity bodies such as the Moon, Mars, or asteroids, thanks to their advanced mobility on unstructured terrain. However, as planetary robots' power and thermal budgets are highly restricted, these robots need energy-efficient control approaches that easily transfer to multiple gravity environments. In this work, we introduce a reinforcement learning-based control approach for legged robots with gravity-scaled power-optimized reward functions. We use our approach to develop and validate a locomotion controller and a base pose controller in gravity environments from lunar gravity (1.62 m/s2) to a hypothetical super-Earth (19.62 m/s2). Our approach successfully scales across these gravity levels for locomotion and base pose control with the gravity-scaled reward functions. The power-optimized locomotion controller reached a power consumption for locomotion of 23.4 W in Earth gravity on a 15.65 kg robot at 0.4 m/s, a 23 % improvement over the baseline policy. Additionally, we designed a constant-force spring offload system that allowed us to conduct real-world experiments on legged locomotion in lunar gravity. In lunar gravity, the power-optimized control policy reached 12.2 W, 36 % less than a baseline controller which is not optimized for power efficiency. Our method provides a scalable approach to developing power-efficient locomotion controllers for legged robots across multiple gravity levels.


翻译:腿式机器人因其在非结构化地形上的卓越机动性,成为探索月球、火星或小行星等低重力天体挑战性区域的有力候选者。然而,由于行星机器人的能量与热控预算高度受限,这些机器人需要能效优化的控制方法,并能轻松适应多种重力环境。本研究提出一种基于强化学习的腿式机器人控制方法,采用重力缩放的能量优化奖励函数。我们应用该方法在从月球重力(1.62 m/s²)到假设的超地球重力(19.62 m/s²)环境中,开发并验证了运动控制器与基座姿态控制器。通过重力缩放奖励函数,我们的方法成功实现了跨重力级别的运动与基座姿态控制。能量优化的运动控制器在地球重力环境下,使15.65 kg的机器人以0.4 m/s速度运动时功耗降至23.4 W,较基线策略提升23%。此外,我们设计了恒力弹簧卸载系统,实现了月球重力环境下腿式运动的真实世界实验。在月球重力下,能量优化控制策略的功耗为12.2 W,较未针对能效优化的基线控制器降低36%。本方法为开发跨多重力级别的腿式机器人高能效运动控制器提供了可扩展的解决方案。

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