Study on the Jumping Robot using an Air Reaction Wheel for Posture Control

Abstract

In this paper, we propose a novel balance control method called Air Reaction Wheel (ARW) for a small-scale legged jumping robot, which can generate high torque while being compact and lightweight. The ARW generates torque in the same direction through the combination of the torque induced by pushing the air, and the moment of inertia of ARW with the angular acceleration of the motor, resulting in high torque performance while being lighter and more compact than conventional balance control mechanisms. To validate the torque performance of the ARW, we conduct dynamic analysis and CFD simulations of the ARW and utilize a CCF model to find the optimal shape for generating high torque. Furthermore, we verify that the proposed method generates high torque while being compact and lightweight compared to the conventional methods through theoretical analysis and comparative experiments on the ARW and existing mechanisms regarding torque performance. Lastly, we conducted jumping, landing, and hopping experiments by attaching the optimized Air Reaction Wheel model to a jumping robot, and through experimental results, we verified that the proposed mechanism contributes to stable jumping and landing.|본 논문에서는 소규모의 다리가 달린 점프 로봇을 위한 새로운 균형 제어 방법을 제안합니다. 이 방법은 Air Reaction Wheel (ARW)로 명명되며, 컴팩트하고 가벼운 동시에 높은 토크를 생성할 수 있습니다. ARW 는 공기를 밀어내는 토크와 모터의 각 가속도에 따른 ARW 의 관성 모멘트의 조합을 통해 같은 방향으로 토크를 생성하여, 기존의 균형 제어 메커니즘보다 더 가벼우며 컴팩트하면서도 높은 토크 성능을 보여줍니다. ARW 의 토크 성능을 검증하기 위해, 우리는 ARW 의 동적 분석과 CFD 시뮬레이션을 수행하고, CCF 모델을 활용하여 높은 토크를 생성하기 위한 최적의 형태를 찾습니다. 또한 이론적 분석과 ARW 와 기존 메커니즘에 대한 토크 성능에 대한 비교 실험을 통해 제안된 방법이 기존 방법에 비해 컴팩트하고 가벼우면서도 높은 토크를 생성한다는 것을 검증합니다. 마지막으로, 최적화된 Air Reaction Wheel 모델을 점프 로봇에 부착하여 점프와 착륙 실험, 호핑 모션을 수행하고, 실험 결과를 통해 제안된 메커니즘이 안정적인 점프와 착륙에 기여한다는 것을 검증했습니다.