Effects of a polycentric knee joint on the walking of a bipedal robot
Influence de la cinématique d'une articulation de genou polycentrique sur la marche d'un robot bipède
Résumé
This work is devoted to the study of the influence of a polycentric knee joint during walking motions of a biped robot. This type of joint allows a movement of the instantaneous center of rotation of the knee like in human case, contrary to the most humanoid robots, which use single revolute knees. First, the kinematics of the human knee joint is presented, to determine a mechanism to reproduce the movements of the human knee. This joint consists of a parallel mechanism and is studied from the kinematic point of view to determine its workspace without singularities. The Lagrange formalism is used to define the dynamic model of the biped robot with the addition of Lagrange multipliers to take into account the internal forces on the four-bar knee joints. A parametric optimization problem under constraints is purposed to generate a set of optimal trajectories in energy with or without double support phases and with impulsive impact. The trajectories thus generated are compared to the same type of trajectory obtained in the case of using revolute joints for the knees and show a decrease of the energy consumption for different speeds with the four-bar knees and for the different type of walking gait. This reduction of energy is obtained by the limitation of the variation of potential energy compared to the robot using revolute knees. Finally, we show an energy reduction by using of springs in parallel of the actuator for the four-bar knee joints.
Ce travail est dédié à l'étude de l'influence de l'utilisation d'une articulation du genou polycentrique durant la marche d'un robot bipède. Ce type d'articulation permet d'obtenir un mouvement du centre de rotation instan- tané du genou tel que l'on peut l'observer chez l'homme contrairement à la majorité des robots humanoïdes, qui utilisent une seule liaison pivot aux genoux. La cinématique de l'articulation du genou humain est présentée dans un premier temps, afin de déterminer un mécanisme susceptible de reproduire les mouvements du genou humain. Cette articulation constituée d'un méca- nisme parallèle est étudiée du point de vue cinématique notamment pour déterminer son espace de travail sans passage par des singularités. Le formalisme de Lagrange est utilisé pour la définition du modèle dynamique du robot avec l'ajout de multiplicateurs de Lagrange pour tenir compte des efforts internes aux genoux à 4-barres. Un problème d'optimisation paramétrique sous contraintes est posé pour générer un ensemble de trajectoires de marche optimale en énergie avec ou sans phases de double support et en tenant compte d'impacts impulsionnels. Les trajectoires ainsi générées sont comparées au même type de trajectoires obtenues dans le cas de l'utilisa- tion d'une articulation pivot pour le genou et montrent une diminution de la consommation d'énergie pour les différentes allures avec des genoux à 4-barres. Cette diminution d'énergie est obtenue par une réduction de la variation de l'énergie potentielle par rapport au cas du robot utilisant des genoux pivots. Enfin, nous montrons une réduction d'énergie dans le cas de l'utilisation de ressorts sur les genoux à 4-barres.