Diseño estructura-control de un robot bípedo semi-pasivo

Abstract

RESUMEN: En el presente trabajo se propone una metodología de diseño integrado estructura-control (E-C) de un Robot Bípedo Semi-Pasivo (RBSP). Dicha metodología es el resultado de un estudio de diseño aplicado a sistemas bípedos artificiales basados en comportamiento dinámico pasivo, los cuales son sistemas que aprovechan las propiedades inerciales de sus elementos estructurales para la generación de ciclos de marcha estables, ya sea únicamente bajo la influencia de la fuerza de gravedad y una superficie inclinada (caminadores pasivos) o a partir de técnicas de control simples para su caminata en superficies horizontales (robots bípedos). Inicialmente, se aborda el problema de diseño concurrente de un Caminador Bípedo Pasivo (CBP) mediante el acoplamiento dinámico de su plano frontal y sagital, el cual permite obtener la descripción completa de los elementos estructurales que componen el sistema. Dicho problema de diseño se formula como un problema de optimización dinámica no lineal discontinuo y de variables de diseño mixtas cuya función objetivo minimiza la diferencia de posición y velocidad angular de las extremidades del bípedo en ciclos de marcha consecutivos, propiciándose la sincronización de movimientos de ambos planos del CBP. Así, a partir de la validación del planteamiento de diseño concurrente del CBP, se procede a formular el problema de diseño E-C del RBSP para la obtención simultánea de los parámetros estructurales y de control óptimos que permitan el desarrollo de ciclos de marcha estables con un consumo de energía mínimo. Tal como en el caso anterior, se formula un problema de optimización dinámica no lineal discontinuo y de variables de diseño mixtas que evalúa la periodicidad de la marcha del RBSP a lo largo de dos etapas de caminata consecutivas, conocidas como Etapa de Caminata Pasiva (ECP) y Etapa de Caminata Semi-Pasiva (ECSP), minimizándose a su vez la energía provista por una estrategia de control semi-pasivo. Debido a las características de no linealidad y discontinuidad presentes en la dinámica del CBP y RBSP, se emplea el algoritmo de Evolución Diferencial (ED) para la solución de ambos problemas de diseño. Así mismo, los resultados de ambos planteamientos de diseño (concurrente y E-C) son comparados con los obtenidos mediante un proceso de diseño secuencial, denotándose las ventajas de los enfoques propuestos. En el caso del diseño concurrente del CBP, se valida la consideración simultánea de la dinámica frontal y sagital del sistema para la generación de ciclos de marcha estables, obteniéndose una descripción estructural completa del sistema. Por su parte, el diseño integrado E-C enfatiza la importancia de la inclusión de la dinámica natural del RBSP en el problema de diseño para la determinación de sus parámetros estructurales óptimos y de una señal de control energéticamente eficiente. ABSTRACT: In this work, an integrated Structure-Control (S-C) design method for a Semi-Passive Bipedal Robot (SPBR) is proposed. This design method is the result of a generalized study about artificial bipedal machines based on passive dynamic walking, which are systems that take advantage of the inertial properties of its structural elements for developing stable gait cycles. Thus, the walking tasks of this type of bipedal machines can be promoted by the influence of gravity force and an inclined surface (passive walkers) or by using simple control strategies when the system walks over a leveled surface (bipedal robots). First, the concurrent design problem of a Passive Bipedal Walker (PBW) that couples its frontal and sagittal plane dynamic behaviors is addressed. The solution of this design problem permits an entire parametric description of the structural elements which compose the PBW. Hence, this design problem is formulated as a nonlinear discontinuous dynamic optimization problem with mixed design variables, where the objective function is associated with minimizing the diferences among angular position and velocities of PBW legs along consecutive gait cycles and then, a synchronization between frontal and sagittal plane movements can be promoted. Therefore, by considering the results of the PBW concurrent design, the integrated S-C design method is proposed. Here, the structural and semi-passive control design parameters are simultaneously obtained with the aim of developing stable gait cycles with a minimum energy consumption. As PBW design, a nonlinear discontinuous dynamic optimization problem with mixed design variables is formulated for the integrated S-C design approach. In this case, the objective function is related to the walking capability and energetic eficiency of the SPBR when it is tested over two consecutive walking scenarios, known as Passive Walking Stage (PWS) and Semi-Passive Walking Stage (SPWS). Due that PBW and SPBR dynamics are nonlinear and discontinuous, Diferential Evolution (DE) algorithm is implemented for solving both design problems. Additionally, the results of each design proposal (concurrent and S-C design) are compared with those obtained by sequential design methods, where the advantages of concurrent and S-C design are highlighted. In the case of concurrent design of the PBW, the simultaneous consideration of its frontal and sagittal plane dynamics for generating stable gait cycles is validated and hence, a complete structural description of the system is obtained. On the other hand, the integrated S-C design emphasizes the importance of taking into account the SPBR natural dynamics for determining the optimal structural parameters and an energetically efficient control signal.