Quasi Optimal Gait of a Biped Robot with a Rolling Knee Kinematic

In this paper, we address the problem of optimization of trajectories for a new class of biped robot. The knees of this biped are similar as the anthropomorphic one and have a rolling contact between the femur and the tibia. The robot has seven mechanical links and six actuators. The walking gait considered is a succession of single support phase (SSP) and impact of the mobile foot with the ground. Cubic uniform spline functions defined on a time interval express the gait for one step. An energy consumption function and a torques quadratic function are used to compare the new robot with anthropomorphic knees to a conventional robot with revolute joint knees. The minimization of the criteria is made with simplex algorithm. The physical constraints concerning the ZMP and the mobile foot behavior are respectively checked to make a step. Simulation results show that the energy consumption of the new biped with rolling knee contact is less than that of the robot with revolute joint knees.ANR R2A

Comparison of different gaits with rotation of the feet for a planar biped

International audienceFast human walking includes a phase where the stance heel rises from the ground and the stance foot rotates about the stance toe. This phase where the biped becomes under-actuated is not present during the walk of humanoid robots. The objective of this study is to determine if this phase is useful to reduce the energy consumed in the walking. In order to study the efficiency of this phase, six cyclic gaits are presented for a planar biped robot. The simplest cyclic motion is composed of successive single support phases with flat stance foot on the ground. The most complex cyclic motion is composed of single support phases that include a sub- phase of rotation of the stance foot about the toe and of finite time double support phase. For the synthesis of these walking gaits, optimal motions with respect to the torque cost, are defined by taking into account given performances of actuators. It is shown that for fast motions a foot rotation sub-phase is useful to reduce the criteria cost. In the optimization process, under-actuated phase (foot rotation phase), fully- actuated phase (flat foot phase) and over-actuated phase (double support phase) are considered

Über den Einfluss der Fußgeometrie auf die Energieeffizienz beim zweibeinigen Gehen

Der Einfluss der Fußgeometrie auf die Energieeffizienz beim zweibeinigen Gehen wird untersucht. Es wird eine Methode zur Optimierung der Fußgeometrie für einen zweibeinigen Roboter entwickelt. Grundlage ist ein ebenes Modell mit beliebieger, konvexer Fußgeometrie in Kombination mit einer Regelung auf Basis der hybriden Nulldynamik. Es werden optimale Bewegungen und Fußgeometrien ermittelt. Im Vergleich zu einem Modell mit Punktfüßen ergeben sich Energieeinsparungen von über 80%

Über den Einfluss der Fußgeometrie auf die Energieeffizienz beim zweibeinigen Gehen

Die Energieeffizienz beim Gehen ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung zweibeiniger Roboter. Diese verfügen nur über einen begrenzten Energiespeicher, mit dem ein möglichst langer Betrieb angestrebt wird. Die Energieeffizienz wird einerseits von der konstruktiven Gestaltung und den Modellparametern beeinflusst, andererseits jedoch auch von der verwendeten Regelung, mit der die Bewegung erzeugt und stabilisiert wird. In einem Entwicklungsprozess werden daher bei der Konzeption und der konstruktiven Gestaltung bereits früh Modelle zur Simulation und Methoden zur Optimierung benötigt. Da in diesem Entwicklungsstadium erst wenige Details konkretisiert und festgelegt sind, eignen sich einfache Mehrkörpermodelle für diese Fragestellung. Durch eine Regelung auf Basis der hybriden Nulldynamik können für solche Systeme stabile Gehbewegungen mit hoher Energieeffizienz erzeugt werden, die die natürliche Dynamik des Systems ausnutzen. In dieser Arbeit wird untersucht, welchen Einfluss die Fußgeometrie auf die Energieeffizienz beim zweibeinigen Gehen hat und wie diese bei der Entwicklung eines zweibeinigen Roboters optimiert werden kann. Hierfür wird ein Modell für einen konvexen, starren Fuß entwickelt, dessen Kontaktpunkt mit dem Boden explizit berechnet werden kann. Dadurch ist eine Beschreibung der Abrollbewegung in Minimalkoordinaten möglich und für die Dynamik des Gesamtsystems kann eine gewöhnliche Differentialgleichung abgeleitet werden. Für das Fußmodell werden zwei Parametrierungen entwickelt, bei denen jeweils von einem Polygon ausgegangen wird, dessen Kanten abgerundet werden, damit sich eine kontinuierliche Abrollbewegung ergibt. Auf diese Weise wird ein flacher Fuß, und ein Fuß mit zusätzlichem Zehenbereich beschrieben. Der Roboter wird durch ein ebenes Mehrkörpersystem beschrieben, das aus einem Oberkörper, Oberschenkeln, Unterschenkeln und dem konvexen Fuß besteht, die jeweils durch Drehgelenke in Hüfte, Knie und Sprunggelenk miteinander verbunden sind. Für dieses System wird eine Regelung auf Basis der hybriden Nulldynamik entworfen. Dieses Regelungskonzept wird somit auf Systeme mit beliebiger Fußgeometrie erweitert. Mittels numerischer Optimierung werden optimale Gehbewegungen erzeugt und zugleich die Fußgeometrie optimiert. Zur Durchführung von Parameterstudien wird eine numerische Fortsetzungsmethode für dieses nichtglatte Problem entwickelt. Durch die Optimierung der Fußgeometrie kann der durchschnittliche Energieverbrauch eines 80 kg schweren und 1,80 m großen Roboters im Geschwindigkeitsbereich 0,3 bis 2,3 m/s gegenüber einem Modell mit Punktfüßen um 81 % reduziert werden