In this paper it is purpose that reduces joint torques and their rate of change through optimizing trajectory planning of biped walking machine. The motion of biped walking machine is divided into leg motion for walking and body motion for keeping balance. The leg motion is planned by three phases, that are deploy, swing, and place phases, in terms of the state of foot against floor. The distribution of time assigned to each phase is optimized and that causes leg joint torques and their rate of change to minimize. The body notion is produced by using optimal control theory which minimizes body joint torques and satisfies Z.M.P. constraints defined as region of each phase.
This paper presents the kinematics of a walking robot leg based on Jansen mechanism. By using simple mathematics, all trajectories of walking robot leg links can be calculated. A foot point trajectory is used to evaluate the performance of a walking robot leg. Trial and Error method is used to find a best combination of link lengths under certain restrictions. All simulations are performed by Matlab. Ground score, drag score, step size, foot lift, instant speed, and average speed of foot point trajectories are used for selecting the best one.
Fault-tolerant gait planning in legged locomotion is to design gaits with which legged robots can maintain static stability and motion continuity against a failure in a leg. For planning a robust and deadlock-free fault-tolerant gait, kinematic constraints caused by a failed leg should be closely examined with respect to remaining mobility of the leg. In this paper, based on the authors's previous results, deadlock avoidance scheme for fault-tolerant gait planning is proposed for a hexapod robot walking over even terrain. The considered fault is a locked joint failure, which prevents a joint of a leg from moving and makes it locked in a known position. It is shown that for guaranteeing the existence of the previously proposed fault-tolerant tripod gait of a hexapod robot, the configuration of the failed leg must be within a range of kinematic constraints. Then, for coping with failure situations where the existence condition is not satisfied, the previous fault-tolerant tripod gait is improved by including the adjustment of the foot trajectory. The foot trajectory adjustment procedure is analytically derived to show that it can help the fault-tolerant gait avoid deadlock resulting from the kinematic constraint and does not make any harmful effect on gait mobility. The post-failure walking problem of a hexapod robot with the normal tripod gait is addressed as a case study to show the effectiveness of the proposed scheme.
Milli-scale crawling robots have been widely studied due to their maneuverability in confined spaces. For successful crawling, the crawling robots basically required to fulfill alternating gait with elliptical foot trajectory. The alternating gait with elliptical foot trajectory normally generates both forward and upward motion. The upward motion makes the aerial phase and during the aerial phase, the forward motion enables the crawling robots to proceed. This simultaneous forward and upward motion finally results in fast crawling speed. In this paper, we propose a novel alternating mechanism to make a crab-inspired eight-legged crawling robot. The key design strategy is an alternating mechanism based on double four-bar linkages. Crab-like robots normally employs gear-chain drive to make the opposite phase between neighboring legs. To use the gear-chain drive to this milli-scale robot system, however, is not easy because of heavy weight and mechanism complexity. To solve the issue, the double-four bar linkages has been invented to generate the oaring motion for transmitting the equal motion in the opposite phase. Thanks to the proposed mechanism, the robot crawls just like the real crab with the crawling speed of 0.57 m/s.
Small-scale ground mobile robots can access confined spaces where people or larger robots are unable. As the scale of the robot decreases, the relative size of the environment increases; therefore, maintaining the mobility of the small-scale robot is required. However, small-scale robots have limitations in using a large number of high-performance actuators, powerful computational devices, and a power source. Insects can effectively navigate various terrains in nature with their legged motion. Discrete contact with the ground and the foot enables creatures to traverse irregular surfaces. Inspired by the leg motion of the insect, researchers have developed small-scale robots and they implemented swing and lifting motions of the leg by designing leg linkages that can be adapted to small-scale robots. In this paper, we propose a leg linkage design for insect-inspired small-scale ground mobile robots. To use minimal actuation and reduce the control complexity, we designed a 1-DOF 3-dimensional leg linkage that can generate a proper leg trajectory using one continuous rotational input. We analyzed the kinematics of the proposed leg linkage to investigate the effect of link parameters on the foot trajectory.
Usual human gait can be modeled as continual impact phenomenon that happens due to the topological change of the kinematic structure of the two feet. The human being adapts his own control algorithm to minimize the ill effect due to the collision with the environment. In order to operate a Humanoid robot like the human being, it is necessary to understand the physics of the impact and to derive an analytical model of the impact. In this paper, specially, we focus on impact analysis of the kicking motion in playing soccer. At the instant of impact, the external impulse exerted on the ball by the foot is an important property. Initially, we introduce the complete external impulse model of the lower-extremity of the human body and analyze the external impulses for several kicking postures of the lower-extremity. Secondly, a trajectory-planning algorithm of a ball, in which the initial velocity and the launch angle of the ball are calculated for a desired trajectory of the ball, will be introduced. The aerodynamic effect such as drag force and lift force is also considered. We carry out numerical simulation and experimentation to verify the effectiveness of the proposed analytical methodology.
This paper proposes an adaptive trajectory generation strategy of using on-line ZMP information and an impedance control method for biped robots. Since robots experience various disturbances during their locomotion, their walking mechanism should have the robustness against those disturbances, which requires an on-line adaptation capability. In this context, an on-line trajectory planner is proposed to compensate the required moment for recovering stability. The ZMP equation and sensed ZMP information are used in this trajectory generation strategy. In order to control a biped robot to be able to walk stably, its controller should guarantee stable footing at the moment of feet contacts with the ground as well as maintaining good trajectory tracking performance. Otherwise, the stability of robot will be significantly compromised. To reduce the magnitude of an impact and guarantee a stable footing when a foot contacts with the ground, this paper. proposes to increase the damping of the leg drastically and to modify the reference trajectory of the leg. In the proposed control scheme, the constrained leg is controlled by impedance control using the impedance model with respect to the base link. Computer simulations performed with a 3-dof environment model that consists of combination of a nonlinear and linear compliant contact model show that the proposed controller performs well and that it has robustness against unknown uneven surface. Moreover, the biped robot with the proposed trajectory generator can walk even when it is pushed with a certain amount of external force.
This paper presents a new method of dynamics-based synthesis of bipedal, especially human, walking. The motion of the body at a time point is determined by ground reaction force and torque under the support foot and joint torques of the body at that time point. Motion synthesis involves specifying conditions that constrain ground reaction force and torque, and joint torques so that a given desired motion may be achieved. There are conditions on a desired motion which end-users can think of easily, e.g. the goal position and orientation of the swing foot for a single step and the time period of a single step. In this paper, we specify constraints on the motion of the support foot, which end-users would find difficult to specify. They are constraints which enforce non-sliding, non-falling, and non-spinning the support foot. They are specified in terms of joint torques and ground reaction force and torque. To satisfy them, both joint torques and ground reaction force and torque should be determined appropriately. The constraints on the support foot themselves do not give any good clues as to how to determine ground reaction force and torque. For that purpose, we specify desired trajectories of the application point of vertical ground reaction force (ground pressure) and the application point of horizontal ground reaction (friction) force. The application points of vertical pressure and friction force are good control variables, because they are indicators to kinds of walking motions to synthesize. The synthesis of a bipedal walking motion, then, consists of finding a trajectory of joint torques to achieve a given desired motion, so that the constraints are satisfied under the condition of the prescribed center of pressure and center of friction. Our approach is distinguished from many other approaches, e.g. the inverted-pendulum approach, in that it captures and formulates dynamics of the support foot and reasonable constraints on it.
Background: The purposed of this study is to examine the static and dynamic plantar foot pressure in chronic low back pain patients and normal adults. Methods: The subjects were divided into a group of 30 patients with chronic low back pain and a control group of 30 healthy persons. While static posture and dynamic posture at comfortable walking speeds, the low back pain group and the control group measured their plantar foot pressure and the trajectory of their center of pressure (COP) using the Matscan(R) system. Independent t-tests were measured to compare differences in plantar foot pressure characteristics between the left side and right side of the low back pain group and the control group. Results: In the comparison of differences in plantar foot pressure characteristics between the left side and right side of the low back pain group and the control group, the anteroposterior (AP) displacement of COP showed significant differences (p<.05). Although the low back pain group and the control group did not show any significant differences in leg length, weight distribution, mediolateral (ML) displacement of COP, static contract area, dynamic contract areas (p>.05), increases in the contract area values were shown in the hind foot in general. Conclusion: In this study, it was shown that patients with chronic low back pain were walking with short AP displacement of the COP as a compensatory action to avoid pain.
본 논문에서는 이족 로봇 보행 중 전력 소비가 적고 안정한 저전력 보행 궤적 생성 방법을 재안하고, 생성된 보행 궤적의 구현을 위해 25 자유도를 갖는 이족 로봇을 설계 제작하였다. 본 논문에서 제안된 방법에서는 발목 사용 보행의 장점을 이용하고 보행 중 무릎을 크게 굽히는 동작을 줄이기 위해 기존 보행 방법과는 달리 우선 가장 안정한 VPCG 궤적을 생성 하고 생성된 궤적에 따른 발목과 골반의 보행 궤적을 생성한다. 이와 같이 함으로써 이족 로봇이 보행 중 항상 무릎을 굽히지 않으므로 전체 보행 중 전력 소비를 최소화 한다. 한편 제작된 이족 로봇은 발목 사용 시 지면과 잘 접지되는 발 구조와 골반을 유연하게 동작 할 수 있는 특징을 가진다. 마지막으로 이족 로봇의 실제 보행 실험 및 소비 전력 측정 결과, 본 논문에서 제안된 방법이 발목을 사용하지 않는 기존 방법에 비해 더 안정하고 전력 소비가 더 적음을 확인할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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