Design, simulation and implementation of a passive biped robot and development of setup for the experimental verification of a mathematical model for bipedal walking [article]

Christos Vasileiou, National Technological University Of Athens, National Technological University Of Athens
2020
AΘHNA 2019 2/125 3/125 Περίληψη Η ανάγκη για τη συστηματοποιημένη μελέτη του ανθρώπινου βαδίσματος έχει οδηγήσει τον τεχνολογικό κόσμο στην ανάπτυξη δίποδων ρομπότ. Πρόκειται για ένα ευρύ επιστημονικό πεδίο, το οποίο εξετάζει τόσο τις διάφορες πτυχές της ρομποτικής, όσο και αυτές της φυσιολογίας του ανθρώπινου ποδιού. Δίποδα ρομπότ και γενικότερα ρομπότ με πόδια έχουν αναπτυχθεί στο παρελθόν από πολλούς ερευνητές. Αυτά βασίζονται σε μαθηματικές μοντελοποιήσεις που στόχος τους είναι η εκτίμηση
more » ... είναι η εκτίμηση της συμπεριφοράς του ανθρώπου κατά το βηματισμό. Η παρούσα εργασία αξιολογεί ένα ήδη υπάρχον απλουστευμένο μηχανικό μοντέλο για το δίποδο περπάτημα και τείνει να επαληθεύσει την εγκυρότητά του μέσω της κατασκευής απλού δίποδου μηχανισμού, ο οποίος υπόκειται σε πείραμα παθητικού βηματισμού σε κεκλιμένο επίπεδο. Προηγούμενες μελέτες έχουν παρουσιάσει πειραματικά αποτελέσματα από δίποδες μηχανές, ενεργητικές ή παθητικές, απλούστερες ή πολυπλοκότερες, ωστόσο δεν συσχετίζουν συστηματικά τα πειραματικά αποτελέσματά τους με την προτεινόμενη θεωρία τους. Το κατασκευασθέν δίποδο ρομπότ αποτελείται από ενδοτικά σκέλη με ημικυκλικά πέλματα και δεν περιλαμβάνει γόνατα ή αστραγάλους. Παρά το γεγονός ότι αποτελεί μία παθητική διάταξη, θέτει τα θεμέλια για τη μετέπειτα επέκτασή του με τη χρήση επενεργητών και την επαύξησή του με την τοποθέτηση γονάτου, αστραγάλου και διαφορετικής γεωμετρίας πελμάτων. Ένας από τους βασικούς στόχους της εργασίας αυτής είναι να θίξει τις βασικές αρχές σχεδιασμού μιας μηχανολογικής διάταξης και κάποιες βασικές μεθόδους αξιολόγησής της. Το βέβαιον είναι ότι η διαδικασία του σχεδιασμού είναι εντόνως επαναληπτική και "μη γραμμική": ξεκινά από καταιγισμό ιδεών, οι οποίες εξετάζονται, αναδιαμορφώνονται, συγχωνεύονται ή απορρίπτονται προκειμένου να προκύψει ο τελικός σχεδιασμός. Από τεχνικής σκοπιάς, η διαδικασία αυτή είναι απαραίτητο να αξιολογείται με κάποια κριτήρια, βασικότερα των οποίων είναι η λειτουργικότητα, η αντοχή και το κόστος της κατασκευής. Επιπρόσθετα εφόσον έχει κατασταλλαχθεί η τελική ιδέα, ο σχεδιαστής-κατασκευαστής μηχανολόγος μηχανικός οφείλει να εξετάσει τα διαθέσιμα μέσα, ώστε να μπορέσει να παράξει την επιθυμητή κατασκευή. Έτσι ζητήματα κατασκευασιμότητας που αφορούν τις διαθέσιμες εργαλειομηχανές, τα διαθέσιμα κοπτικά εργαλεία και τη διαθέσιμη τεχνογνωσία είναι πολύ σημαντικά για την επίτευξη του στόχου του, που δεν είναι άλλος από την κατεργασία πρώτων υλών που θα δώσουν την τελική μορφή του ρομπότ. Τέλος η εκτέλεση πειραμάτων είναι αυτή που επαληθεύει τη θεωρία. Η επαλήθευση αυτή θα πρέπει να είναι όχι μόνο ποιοτική, που θα ικανοποιούνταν από την επιτυχία του ρομπότ στο να περπατήσει, αλλά και ποσοτική. Η ποσοτικοποίηση των πειραματικών αποτελεσμάτων επιτυγχάνεται με τη χρήση αισθητήρων για τη συλλογή δεδομένων. Με αυτά τα δεδομένα μπορεί κανείς να συμπεράνει πόσο συγκλίνει ή αποκλίνει η τελική κατασκευή του από τη μαθηματική μοντελοποίηση. Όλα τα παραπάνω συμβάλλουν σε μια κοινή συνισταμένη, η οποία τείνει να εμπλουτίσει τις επιστημονικές γνώσεις γύρω από την περιοχή της βιομηχανοτρονικής. Συγκεκριμένα η μελέτη του βηματισμού της κατασκευασθείσας δίποδης μηχανής και η εφαρμογή διαφόρων μεθόδων επενέργησής της μπορεί να οδηγήσει σε δημιουργικές ιδέες όχι μόνο για την αντικατάσταση απαγχονισμένων σκελών με προσθετικά άκρα, αλλά και για την υποβοήθηση υπολειτουργικών κάτω άκρων με το σχεδιασμό εξωσκελετικών συστημάτων. 4/125 Abstract The need for the systematic study of human gait has led the technological community to the development of bipedal robots. This is a broad scientific field, which examines both the different aspects of robotics as well as those of human leg physiology. Bipedal robots and legged robots in general have been developed in the past by many researchers; they usually rely on mathematical models and their goal is to assess the dynamics of human walking. This diploma thesis examines an already existing simplified mechanical model and aims to verify its validity with the construction of a simple bipedal passive mechanism, which performs passive walking on an inclined plane. Previous studies have presented experimental results from bipedal machines, active or passive, simpler or more complicated. However, these do not correlate systematically their results to their proposed theory. The bipedal robot constructed here consists of compliant legs with semicircular feet; it does not take into consideration the human knee and ankle configurations. It is primarily designed for a study of its passive dynamics; a future expansion that will include actuators and augmentation by the placement of knees, ankle joints and different foot geometry is taken into account during the design process. One of the main goals of this thesis is to explore the basic principles of mechanical design and some basic methods for its evaluation. There is no doubt that the process of design is highly repetitive and "nonlinear": it starts from brainstorming and some ideas are examined, reshaped, merged or rejected in order for the final design to emerge. Moreover, from a technical point of view, it is very important that the design is evaluated with some criteria, such as its mechanical strength and the mechanism's functionality, as well as its production cost. Additionally, once the final idea has been settled, the designer mechanical engineer has to examine the available means so as to produce the desired structure. Therefore issues regarding the machinability of the robot, such as the available machine-tools, the available cutting tools and the technological know-how are critical for achieving the main purpose of the construction process, which is no other than the manufacturing of raw material in order to shape the final robot. Finally, experiments are needed to verify the existing theory. This verification is not only qualitative, for which it would suffice that the passive robot is able to walk, but also quantitative. The quantification of experimental results is achieved by the use of sensors for data collection. Thus, with these data, it is possible to conclude how well the manufactured robot converges to the mathematical modeling.
doi:10.26240/heal.ntua.17482 fatcat:kr3mr4j7qzax7dlp2x3jx2x4jy