五杆单足机器人高性能跳跃的协同设计框架与执行器优化

A Co-Design Framework for High-Performance Jumping of a Five-Bar Monoped with Actuator Optimization

腿式机器人的性能在很大程度上取决于机械设计与控制，这促使了同时优化这些参数的协同设计方法的发展。然而，现有的大多数协同设计研究主要关注优化连杆尺寸和传动比，而忽略了详细的执行器设计，特别是电机和齿轮箱的参数优化，并且大多局限于串联开链机构。在本研究中，我们提出了一种用于平面闭链五杆单足机器人的协同设计框架，该框架联合优化了机械设计、电机和齿轮箱参数以及动态跳跃的控制参数。目标是最大化跳跃距离，同时最小化机械能耗。该框架采用两阶段优化方法：首先通过执行器优化生成从齿轮比到执行器质量、效率和峰值扭矩的映射，然后利用CMA-ES算法进行机器人设计与控制的协同设计优化。仿真结果显示，与基准设计相比，跳跃距离提高了约42%，机械能耗降低了15.8%，证明了所提框架在识别高性能、高能效平面跳跃机器人的最优设计、执行器及控制参数方面的有效性。