# Optimizing the locomotion of hexapod robots by taking inspiration from the ants

Julien Serres, Ilya Brodoline, Stéphane Viollet

► To cite this version:

Julien Serres, Ilya Brodoline, Stéphane Viollet. Optimizing the locomotion of hexapod robots by taking inspiration from the ants. 53ème Colloque de la Société Française pour l'Etude du Comportement Animal (SFECA), Aurore Avarguès-Weber, May 2024, Albi, France. 10.13140/RG.2.2.18615.12967. hal-04598667

HAL Id: hal-04598667

https://hal.science/hal-04598667

Submitted on 3 Jun 2024

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Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
# Optimiser la locomotion des robots hexapodes en s'inspirant des fourmis

Julien R Serres*†¹, Ilya Brodoline¹, and Stéphane Viollet¹

¹Institut des Sciences du Mouvement Etienne Jules Marey – Aix Marseille Univ, CNRS – Faculté des Sciences du Sport - 163 Avenue de Luminy - BP CP910 - 13288 Marseille cedex 09, France

## Résumé

La polyvalence avantageuse des robots hexapodes s'accompagne souvent d'une consommation énergétique excessive, alors que les animaux ont développé une locomotion économe. On observe, néanmoins, un manque de méthodes capables de comparer les différentes formes d'optimisations énergétiques des animaux à pattes aux robots. Dans cette étude, nous proposons une procédure expérimentale évaluant la performance énergétique d'un hexapode basé sur des servomoteurs. En utilisant un cadre théorique basé sur les lois de la thermodynamique appliquées à la locomotion, nous avons estimé quatre métriques en utilisant un banc d'essai dédié, dénommé MIMIC-ANT. Nous avons alors analysé les caractéristiques d'une seule patte afin de façonner le profil énergétique du robot complet pour une tâche donnée. L'économie d'énergie réalisée est de 18 % grâce à l'ajustement continu du rapport cyclique de marche, avec un bénéfice de 56 % lors de la maximisation de la puissance mécanique. En outre, l'ajustement de la vitesse du robot en fonction de la longueur de la foulée et du changement de style de marche permettent seulement de réduire les pertes énergétiques de 7 % à faible vitesse. Contrairement aux animaux dotés de muscles, un seul point de fonctionnement optimal a été révélé dans une patte articulée par des servomoteurs, ce qui constitue un inconvénient majeur dû à la faible efficacité énergétique des servomoteurs employés en robotique. Par conséquent, les robots à pattes sont sévèrement limités pour optimiser leur locomotion lors du changement de tâches. Cette conclusion est contre-intuitive pour des robots hexapodes réputés polyvalents.

**Mots-Clés:** locomotion, marche, optimisation, biomimétisme, bioinspiration, biorobotique, imitation, bionique, robotique à pattes, robotique bio-inspirée.

<footnote>*Intervenant</footnote>

<footnote>†Auteur correspondant: Julien.serres@univ-amu.fr</footnote>
# Optimiser la locomotion des robots hexapodes en s'inspirant des fourmis

Julien R Serres*†¹, Ilya Brodoline¹, and Stéphane Viollet¹

¹Institut des Sciences du Mouvement Etienne Jules Marey – Aix Marseille Univ, CNRS – Faculté des Sciences du Sport - 163 Avenue de Luminy - BP CP910 - 13288 Marseille cedex 09, France

## Résumé

La polyvalence avantageuse des robots hexapodes s'accompagne souvent d'une consommation énergétique excessive, alors que les animaux ont développé une locomotion économe. On observe, néanmoins, un manque de méthodes capables de comparer les différentes formes d'optimisations énergétiques des animaux à pattes aux robots. Dans cette étude, nous proposons une procédure expérimentale évaluant la performance énergétique d'un hexapode basé sur des servomoteurs. En utilisant un cadre théorique basé sur les lois de la thermodynamique appliquées à la locomotion, nous avons estimé quatre métriques en utilisant un banc d'essai dédié, dénommé MIMIC-ANT. Nous avons alors analysé les caractéristiques d'une seule patte afin de façonner le profil énergétique du robot complet pour une tâche donnée. L'économie d'énergie réalisée est de 18 % grâce à l'ajustement continu du rapport cyclique de marche, avec un bénéfice de 56 % lors de la maximisation de la puissance mécanique. En outre, l'ajustement de la vitesse du robot en fonction de la longueur de la foulée et du changement de style de marche permettent seulement de réduire les pertes énergétiques de 7 % à faible vitesse. Contrairement aux animaux dotés de muscles, un seul point de fonctionnement optimal a été révélé dans une patte articulée par des servomoteurs, ce qui constitue un inconvénient majeur dû à la faible efficacité énergétique des servomoteurs employés en robotique. Par conséquent, les robots à pattes sont sévèrement limités pour optimiser leur locomotion lors du changement de tâches. Cette conclusion est contre-intuitive pour des robots hexapodes réputés polyvalents.

**Mots-Clés:** locomotion, marche, optimisation, biomimétisme, bioinspiration, biorobotique, imitation, bionique, robotique à pattes, robotique bio-inspirée.

<footnote>*Intervenant</footnote>

<footnote>†Auteur correspondant: Julien.serres@univ-amu.fr</footnote>
<figure><img src="image_1.png" /></figure>

Optimizing the locomotion of hexapod robots by
taking inspiration from the ants

Julien R. Serres, Ilya Brodoline, et Stéphane Viollet

Presented on 22 May 2024 in Albi, France
<figure><img src="image_2.png" /></figure>

# Optimizing the locomotion of hexapod robots by taking inspiration from the ants

**Julien R. Serres, Ilya Brodoline, et Stéphane Viollet**

Presented on 22 May 2024 in Albi, France
Optimizing the locomotion of hexapod robots by taking
inspiration from the ants

« How to build a new hexapod robot, better than AntBot »

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Ilya Brodoline, Emilie Sauvageot, Stéphane Viollet, and **Julien R Serres**. (2024). Shaping the energy curves of a servomotor-based hexapod robot.

*Scientific Reports*, 14(1), 11675. https://doi.org/10.1038/s41598-024-62184-y
Optimizing the locomotion of hexapod robots by taking
inspiration from the ants

« How to build a new hexapod robot, better than AntBot »

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

Ilya Brodoline, Emilie Sauvageot, Stéphane Viollet, and **Julien R Serres**. (2024). Shaping the energy curves of a servomotor-based hexapod robot.

*Scientific Reports*, 14(1), 11675. https://doi.org/10.1038/s41598-024-62184-y
The challenges of biorobotics: building a robot that explains how animals work

<figure><img src="image_3.png" /></figure>
The challenges of biorobotics: building a robot that explains how animals work

<figure><img src="image_4.png" /></figure>
State of the art of
hexapod robots

What is a high-performance robot?

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Cost of transport in horses
D. F. Hoyt et C. R. Taylord, Nature, 1981.</figcaption></figure>

animal Cost of Transport (CoT)

$$CoT [ml \cdot m^{-1} \cdot kg^{-1}] = \frac{\Phi_{O_2}}{v \cdot m}$$

Specific resistance

$$\varepsilon [\emptyset] = \frac{P_{in}}{m \cdot g \cdot v}$$

Minimum transport costs for some species
V. A. Tucker, American Scientist, 1975.

<figure><img src="image_5.png" /></figure>
State of the art of
hexapod robots

What is a high-performance robot?

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Cost of transport in horses
D. F. Hoyt et C. R. Taylord, Nature, 1981.</figcaption></figure>

animal Cost of Transport (CoT)

$$CoT [ml \cdot m^{-1} \cdot kg^{-1}] = \frac{\Phi_{O_2}}{v \cdot m}$$

Specific resistance

$$\varepsilon [\emptyset] = \frac{P_{in}}{m \cdot g \cdot v}$$

Minimum transport costs for some species
V. A. Tucker, American Scientist, 1975.

<figure><img src="image_6.png" /></figure>
State of the art of hexapod robots mimicking insects

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

©D. Johannesburg, 2006.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>AntBot [2]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>PhantomX [3]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>3DOF Phoenix [4]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

<table><tr><td>Mass [kg]</td><td>1 kg</td><td>2.3 kg</td><td>2 kg</td><td>1.3 kg</td></tr><tr><td>Autonomy (approx.)</td><td>30 min</td><td>15 min</td><td>20 min</td><td>20 min</td></tr><tr><td>Actuators' angular speed</td><td>59 rpm</td><td>90 rpm</td><td>106 rpm</td><td>50 rpm</td></tr><tr><td>Maximum load</td><td>700 g</td><td>700 g</td><td>700 g</td><td>700 g</td></tr><tr><td>Price</td><td>1 k€</td><td>2 k€</td><td>3.3 k€</td><td>1 k€</td></tr><tr><td>Year</td><td>2019</td><td>2019</td><td>2020</td><td>2015</td></tr></table>

[1] C. Goldsmith, N. Szczecinski and R. Quinn, Living Machines, 2019.

[2] J. Dupeyroux, J.R. Serres, S. Viollet, Science Robotics, 2019.

[3] PhantomX Metal Hexapod MK-III Kit, Ref. KIT-MKIV-XL-S, 2020.

[4] J. H. Barron-Zambrano, C. Torres-Huitzil, B. Girau, Neurocomputing, Volume 170, 2015.
State of the art of hexapod robots mimicking insects

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

©D. Johannesburg, 2006.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>AntBot [2]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>PhantomX [3]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>3DOF Phoenix [4]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

<table><tr><td>Mass [kg]</td><td>1 kg</td><td>2.3 kg</td><td>2 kg</td><td>1.3 kg</td></tr><tr><td>Autonomy (approx.)</td><td>30 min</td><td>15 min</td><td>20 min</td><td>20 min</td></tr><tr><td>Actuators' angular speed</td><td>59 rpm</td><td>90 rpm</td><td>106 rpm</td><td>50 rpm</td></tr><tr><td>Maximum load</td><td>700 g</td><td>700 g</td><td>700 g</td><td>700 g</td></tr><tr><td>Price</td><td>1 k€</td><td>2 k€</td><td>3.3 k€</td><td>1 k€</td></tr><tr><td>Year</td><td>2019</td><td>2019</td><td>2020</td><td>2015</td></tr></table>

[1] C. Goldsmith, N. Szczecinski and R. Quinn, Living Machines, 2019.

[2] J. Dupeyroux, J.R. Serres, S. Viollet, Science Robotics, 2019.

[3] PhantomX Metal Hexapod MK-III Kit, Ref. KIT-MKIV-XL-S, 2020.

[4] J. H. Barron-Zambrano, C. Torres-Huitzil, B. Girau, Neurocomputing, Volume 170, 2015.
# Design and manufacture of a bio-inspired hexapod

## The shortcomings of today's robots

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

### Advantages:

- Compact

- Simple to implement

- Easy to control (speed, position)

- Numerous models available

+

### Disadvantages:

- Continuous energy consumption

- Overheating

- Fragile gears

- High price

-

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Servomotor with broken teeth</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /></figure>
# Design and manufacture of a bio-inspired hexapod

## The shortcomings of today's robots

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

### Advantages:

- Compact

- Simple to implement

- Easy to control (speed, position)

- Numerous models available

+

### Disadvantages:

- Continuous energy consumption

- Overheating

- Fragile gears

- High price

-

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Servomotor with broken teeth</figcaption></figure>

<figure><img src="image_14.png" /></figure>
# Design and manufacture of a bio-inspired hexapod

## Technological choices for the *Pohod15Leg* leg

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>CAD model of the new *Pohod15Leg* robotic leg</figcaption></figure>

* Three degrees of freedom per leg

* Angular and force sensors

* Dimensions consistent with the ant *Cataglyphis fortis* (1:30)

* Fully 3D printed structure (420g)

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Demonstration of the degrees of freedom of the *Pohod15Leg* leg</figcaption></figure>

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Video of Pohod15 walking on a treadmill.</figcaption></figure>
# Design and manufacture of a bio-inspired hexapod

## Technological choices for the *Pohod15Leg* leg

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>CAD model of the new *Pohod15Leg* robotic leg</figcaption></figure>

* Three degrees of freedom per leg

* Angular and force sensors

* Dimensions consistent with the ant *Cataglyphis fortis* (1:30)

* Fully 3D printed structure (420g)

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Demonstration of the degrees of freedom of the *Pohod15Leg* leg</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Video of Pohod15 walking on a treadmill.</figcaption></figure>
# Design and manufacture of a bio-inspired hexapod

## The leg actuator

## Resistance & Overheating

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

Cross-sectional diagram of an insect leg joint
R. F. Chapman et al, The Insects Structure and Function, 2012.

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Evolution of the average temperature of a hexapod leg after 10min of walking</figcaption></figure>

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>AXLeg</figcaption></figure>

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>B</figcaption></figure>

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Pohod15</figcaption></figure>

<figure><img src="image_22.png" /></figure>
# Design and manufacture of a bio-inspired hexapod

## The leg actuator

## Resistance & Overheating

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

Cross-sectional diagram of an insect leg joint
R. F. Chapman et al, The Insects Structure and Function, 2012.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Evolution of the average temperature of a hexapod leg after 10min of walking</figcaption></figure>

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>AXLeg</figcaption></figure>

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>B</figcaption></figure>

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Pohod15</figcaption></figure>

<figure><img src="image_23.png" /></figure>
# Performance evaluation of a
hexapod robot

## Estimating the energy profile

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

Thermodynamics of animal locomotion

E. Herbert et al, Physical Review Letters, 2020.

Thermodynamics of metabolic energy conversion under muscle load

C. Goupil et al, New Journal of Physics, 2019.

Four energy descriptors : {$P_{out}$, $\eta$, CoT/M, $v$}
# Performance evaluation of a
hexapod robot

## Estimating the energy profile

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

Thermodynamics of animal locomotion

E. Herbert et al, Physical Review Letters, 2020.

Thermodynamics of metabolic energy conversion under muscle load

C. Goupil et al, New Journal of Physics, 2019.

Four energy descriptors : {$P_{out}$, $\eta$, CoT/M, $v$}
# Performance evaluation of a hexapod robot

## Measuring the cost of transport

AntBot experiment in the Mediterranean flight arena

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

### Specific resistance

$$ \varepsilon [\emptyset] = \frac{P_{in}}{m \cdot g \cdot v} $$

Pin: power used to move [W]

m: mass set in motion [kg]

g: acceleration of gravity [m/s²]

v: speed [m/s]

### Average power consumed by AntBot

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

<figure><img src="image_27.png" /></figure>

### CoT measured for AntBot
# Performance evaluation of a hexapod robot

## Measuring the cost of transport

AntBot experiment in the Mediterranean flight arena

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

### Specific resistance

$$ \varepsilon [\emptyset] = \frac{P_{in}}{m \cdot g \cdot v} $$

Pin: power used to move [W]

m: mass set in motion [kg]

g: acceleration of gravity [m/s²]

v: speed [m/s]

### Average power consumed by AntBot

<figure><img src="image_27.png" /></figure>

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

### CoT measured for AntBot
Performance evaluation of a
hexapod robot

The MiMiC-Ant test bench

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>MiMiC-Ant test
bench, with
Pohod15 installed.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>MiMiC-Ant test
bench, with AXLeg
installed.</figcaption></figure>

I. Brodoline, P. Moretto, S. Viollet, V. Fourcassié, and J. R. Serres, *IEEE Instrumentation & Measurement Magazine*, 2022.

J.R. Serres, V. Fourcassié, I. Brodoline, P. Moretto, S. Viollet, Projet MiMiC-ANT, PEPS INSIS 2020.

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

Define a standardised procedure for identifying the energy
profile of a hexapod robot

Example of test bench measurements

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

<figure><img src="image_34.png" /></figure>
Performance evaluation of a
hexapod robot

The MiMiC-Ant test bench

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>MiMiC-Ant test
bench, with
Pohod15 installed.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>MiMiC-Ant test
bench, with AXLeg
installed.</figcaption></figure>

I. Brodoline, P. Moretto, S. Viollet, V. Fourcassié, and J. R. Serres, *IEEE Instrumentation & Measurement Magazine*, 2022.

J.R. Serres, V. Fourcassié, I. Brodoline, P. Moretto, S. Viollet, Projet MiMiC-ANT, PEPS INSIS 2020.

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

Define a standardised procedure for identifying the energy
profile of a hexapod robot

Example of test bench measurements

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

<figure><img src="image_34.png" /></figure>

<figure><img src="image_35.png" /></figure>
# Measuring the performance of a hexapod robot

## The optimal energy profile

Optimized energy description of the hexapod if it has several operating points. This is achieved by reducing the *Pin power consumption by 36W*.

* CoT/M minimum

* Maximum energy efficiency

* Maximum mechanical output power

<figure><img src="image_35.png" /></figure>
# Measuring the performance of a hexapod robot

## The optimal energy profile

Optimized energy description of the hexapod if it has several operating points. This is achieved by reducing the *Pin power consumption by 36W*.

* CoT/M minimum

* Maximum energy efficiency

* Maximum mechanical output power

<figure><img src="image_36.png" /></figure>
## Comparison of two leg-based hexapods
### AXLeg & Pohod15Leg

<table><thead><tr><th>Indicateur de performance</th><th>AXLeg</th><th>Pohod15Leg</th></tr></thead><tbody><tr><td>Masse [kg]</td><td>1,9 kg</td><td>2,5 kg</td></tr><tr><td>Fréquence [Hz]</td><td>0,37</td><td>0,31</td></tr><tr><td>Longueur des pas [mm]</td><td>106</td><td>115</td></tr><tr><td>Vitesse [cm/s]</td><td>7,8</td><td>7,1</td></tr><tr><td>Précision des pas [mm]</td><td>±3</td><td>±1</td></tr><tr><td>Propulsion inefficace</td><td>5 %</td><td>9 %</td></tr><tr><td>Puissance moy. [W]</td><td>28</td><td>81</td></tr><tr><td>Puissance moy. statique [W]</td><td>9</td><td>0</td></tr><tr><td>Résistance spécifique ε</td><td>19</td><td>47</td></tr><tr><td>Degré d'élévation de température (DET)</td><td>3,2°C/min</td><td>2,1°C/min</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_36.png" /></figure>

Tripod
Tetrapod
Wavegait
Undefined gait
Hexa support phase

Occurrence of different ant walking patterns
*Cataglyphis fortis*.

V. Wahl et al, Journal of Comparative Physiology, 2015.

## Conclusion

### Outcomes

* Identification of structural shortcomings in bio-inspired hexapods.

**A single optimum operating point**
**New actuators ?**

* Proposal for a new bio-inspired *Pohod15Leg* open source leg design.

**Open science project**
**Hexapod cost < 3000 €**

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

* Definition of a new method for estimating and optimizing the performance of a hexapod robot using a single leg.

**Hexapod evaluation method**

**Reduction in the number of prototyping iterations**
## Comparison of two leg-based hexapods

### AXLeg & Pohod15Leg

<table><thead><tr><th>Indicateur de performance</th><th>AXLeg</th><th>Pohod15Leg</th></tr></thead><tbody><tr><td>Masse [kg]</td><td>1,9 kg</td><td>2,5 kg</td></tr><tr><td>Fréquence [Hz]</td><td>0,37</td><td>0,31</td></tr><tr><td>Longueur des pas [mm]</td><td>106</td><td>115</td></tr><tr><td>Vitesse [cm/s]</td><td>7,8</td><td>7,1</td></tr><tr><td>Précision des pas [mm]</td><td>±3</td><td>±1</td></tr><tr><td>Propulsion inefficace</td><td>5 %</td><td>9 %</td></tr><tr><td>Puissance moy. [W]</td><td>28</td><td>81</td></tr><tr><td>Puissance moy. statique [W]</td><td>9</td><td>0</td></tr><tr><td>Résistance spécifique ε</td><td>19</td><td>47</td></tr><tr><td>Degré d'élévation de température (DET)</td><td>3,2°C/min</td><td>2,1°C/min</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

Tripod
Tetrapod
Wavegait
Undefined gait
Hexa support phase

Occurrence of different ant walking patterns
*Cataglyphis fortis*.

V. Wahl et al, Journal of Comparative Physiology, 2015.

## Conclusion

### Outcomes

* Identification of structural shortcomings in bio-inspired hexapods.

**A single optimum operating point**
**New actuators ?**

* Proposal for a new bio-inspired *Pohod15Leg* open source leg design.

**Open science project**
**Hexapod cost < 3000 €**

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

* Definition of a new method for estimating and optimizing the performance of a hexapod robot using a single leg.

**Hexapod evaluation method**

**Reduction in the number of prototyping iterations**