A Case Study on Influence of Utilizing Hill-type Muscles on Mechanical Efficiency of Biped Running Gait

The presence of compliant elements in biped running mechanisms generates a smoother motion and decreases impact forces. Biological creatures that have a complicated actuation system with parallel and series elastic elements in their muscles demonstrate very efficient and robust bipedal gaits. The main difficulty of implementing these systems is duplicating their complicated dynamics and control. This paper studies the effects of an actuation system, including Hill-type muscles on the running efficiency of a kneed biped robot model with point feet. In this research, we implement arbitrary trajectories compatible with the initial condition of the robot, and we calculate the necessary muscle forces using an analytical inverse dynamics model. To verify the results, we execute the direct dynamics of the robot with the calculated control inputs to generate the robot’s trajectory. Finally, we calculate the contractile element force of the muscles and its cost of transport, and we investigate the effects of the muscles’ elements on reducing or increasing the cost of transport of the gait and maximum actuating forces.Наявність податливих елементів у механізмах виконання двоногої ходи породжує плавність руху і зменшує сили удару. Біологічні істоти, які мають складну систему спрацьовування з паралельними і серіями еластичних елементів в м'язах, демонструють дуже ефективну і надійну двоногу ходу. Основними труднощами реалізації цих систем є дублювання їх складної динаміки і контролю. Вивчаються наслідки спрацьовування системи, в тому числі м'язів типу Хілла на ефективність роботи коліна у моделі двоногої ходи. У цьому дослідженні введено довільні траєкторії, сумісні з початковим станом робота, і розраховано необхідні сили м'язів за допомогою аналітичної зворотної моделі динаміки. Для перевірки результатів виконано пряму динаміку робота з обчисленням імпульсів управління для генерації траєкторії робота. Розраховано скорочувальну силу елемента м'язів і вартість його передачі для робота, і досліджено вплив елементів м'язів на зменшення або збільшення витрат на ходу і максимальні виконавчі сили

[[alternative]]Autonomous Dynamic Balance of Humanoid Robots(I)

計畫編號：NSC96-2218-E032-002研究期間：200708~200807研究經費：1,002,000[[abstract]]本計畫(即子計畫一)將著重於人型機器人自主動態平衡的研究，建立一 套能適應不同動作(例如，走路、上下樓梯、不平坦地面及跑步)及狀況(例 如，有無與境環互動、有無搭載重物)的機器人之動態平衡策略。相關的研 究主題包括如下：(一)機構設計，(二)伺服控制系統之設計，(三)設計動態 感知系統，(四)平坦地面走路、上下樓梯、不平坦地面走路及跑步之步態規 劃，(五)運動學及反運動學之推導，(六)以類神經網路近似反運動學，(七) 無支撐面(即跑步)動態方程式之推導，(八)單(及無)支撐面狀態之自我平 衡，(九)搭載重物與環境互動之自我平衡，及(十)具有可搭載重物及跑步能 力的人型機器人之開發。 第一年的研究主題為具有可搭載重物及跑步能力的人型機器人之機構 及伺服控制系統的設計，其中以加強伺服韌性及應用被動元件(例如，彈簧) 改善因跑步所引起地面衝擊力或搭載重物所須額外力矩；第二年的研究主 題為人型機器人之腳及手的運動學與反運動學之推導，並以類神經網路及 粒子群聚學習法則，近似具有限制的反運動學，以降低計算反運動學所須 的時間(或嵌入式系統的負荷)，亦完成單支撐面、搭載重物與環境互動狀態 之自我平衡；第三年的研究主題為無支撐面(即跑步)動態方程式之推導、 跑步步態之規劃、及自我動態平衡之策略。 配合子計畫二的雙眼可適應性視覺系統，執行子計畫四的視覺導引所要 求之動作；配合子計畫三的輸入輸出界面，設計PWM 驅動及DECODER 的PID 迴授控制之電路，並設計動態感知系統，以進行自主動態平衡；配合子計 畫四執行所下達的命令，完成所要求的智慧行為。[[sponsorship]]行政院國家科學委員

Running synthesis and control for monopods and bipeds with articulated

Bibliography: p. 179-20

Advances in Robotics, Automation and Control

The book presents an excellent overview of the recent developments in the different areas of Robotics, Automation and Control. Through its 24 chapters, this book presents topics related to control and robot design; it also introduces new mathematical tools and techniques devoted to improve the system modeling and control. An important point is the use of rational agents and heuristic techniques to cope with the computational complexity required for controlling complex systems. Through this book, we also find navigation and vision algorithms, automatic handwritten comprehension and speech recognition systems that will be included in the next generation of productive systems developed by man