Control of Dynamic Biped Walking Robot

Authors

  • A. P. Borina St. Petersburg State Marine Technical University

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2023-4-4-12

Keywords:

control system, dynamic stability, inverted pendulum, equations of motion, walking machine

Abstract

The objective of this article is to present control algorithms of biped dynamic walking robot. A mathematical model of the walking robot is compiled. The construction of the robot is based on minimalist design principles - absolutely solid body with two legs. Analytical dependencies between six coordinates of the body, coordinates of the left and right legs and absolute coordinates of the feet are defined. The block diagram of control system is presented. Differential equations of walking are compiled. The dynamic stability of biped walking robot near the required trajectory is provided by discrete control of the parameters: «when and where to put foot». To define these parameters, it is proposed to use an inverted mathematical pendulum as an ideal mechanism. Its linearized differential equations allow present the feet coordinates according to the measured initial and final parameters (at the begging and at the end of the step). The article paid particular attention to results of such control method with various walking modes. The coordinates of the robot body, its velocities and accelerations, angles of rotation were investigated. Calculations confirmed the small deviations of the proposed model of walking from the ideal one. The developed methodology allows improve the construction and control system of biped dynamic walking robots at the design stage. Some of the tasks, it can be used: design machines simulating human walking, with high speed and maneuverability, with point feet and synchronized with natural uncontrolled movements.

Author Biography

A. P. Borina, St. Petersburg State Marine Technical University

инженер центра «Стратегии и инвестиции»

References

Ванькина И. Н., Фетисов Д. А. Плоское перемещение пятизвенного двуногого робота по поверхности с препятствиями в виде ступеней робота // Математика и математическое моделирование. 2021. № 3. С. 1-28.

Савин С. И., Ворочаева Л. Ю. Метод управления двуногими шагающими роботами с интегрированными упругими элементами // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2020. № 2 (340). C. 95-103. DOI: 10.33979/2073-7408-2020-340-2-95-103

Atkeson C.G., Benzun P.B., Banerjee N., Berenson D., Bove C.P., Cui X., Gennert M. (2018) What happened at the DARPA Robotics Challenge finals. DARPA Robotics Challenge Finals: Humanoid Robots To The Rescue: Springer, Cham, 2018, pp. 667-684.

Брискин Е. С., Смирная Л. Д., Артемьев К. С. Об управлении тяговыми характеристиками и сопротивлением движению мобильных роботов с шагающими движителями // Мехатроника, автоматизация, управление. 2023. № 24 (2). С. 101-106. https://doi.org/10.17587/mau.24.101-106

Чернышев В. В., Гончаров А. А., Арыканцев В. В. Моделирование механики контактного взаимодействия опорных элементов шагающих роботов при больших тяговых усилиях // Робототехника и техническая кибернетика. 2019. № 1 (22). C. 53-57.

Chernyshev V.V., Goncharov A.A., Arykantsev V.V. (2017) Modeling of vibroimpact processes which occurs in feet changing of the walking units at viscoelastic grounds. Procedia Engineering, 2017, vol. 176, pp. 387-393. DOI: 0.1016/j.proeng.2017.02.336

Бжихатлов И. А., Громов В. С. Исследование колебаний платформы двуногого шагающего робота // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2020. № 3 (63). С. 278-285. DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-3-278-285

Sintov A., Macenski S., Borum A. and Bretl T. (2020) Motion planning for dual-arm manipulation of elastic rods. IEEE Robotics and Automation Letters, 2020, vol. 5, no. 4, pp. 6065-6072.

Gurevich A., Bamani E. & Sintov A. (2023) Learning a data-efficient model for a single agent in homogeneous multi-agent systems. Neural Comput & Applic 35, pp. 20069-20085. https://doi.org/10.1007/s00521-023-08838-w

Полянина А. С. Полный цикл походки в динамической модели плоского двуногого робота // Научно-технический вестник Поволжья. 2023. № 2. С. 60-63.

Цзун С. Исследование стратегий управления для четвероногих шагающих роботов // Studnet. 2021. № 7 (4). C. 59.

Chen G., Guo S., Hou B., Wang J. (2020) Virtual model control for quadruped robots. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 140736-140751.

Meng L., Macleod C.A., Porr B. (2018) Bipedal robotic walking control derived from analysis of human locomotion. Biol Cybern, 2018, 112, pp. 277-290. https://doi.org/10.1007/s00422-018-0750-5

Лапшин В. В. Механика и управление движением шагающих машин. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. 199 с.

Белецкий В. В. Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления. М.: Наука, 1984. 288 с.

Голубев Ю. Ф., Корянов В. В. Экстремальные локомоционные возможности инсектоморфных роботов. М.: ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, 2018. 212 с.

Брискин Е. С., Смирная Л. Д. Об отрыве стопы шагающего движителя мобильного подводного робота от грунта // Робототехника и техническая кибернетика. 2019. Т. 7, № 3. С. 215-223. DOI: 10.31776/RTCJ.7306

Павловский В. Е. О разработках шагающих машин. М.: ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, 2013. 32 с.

Мещеряков Р. В., Илюхин Б. В. Обзор соревновательной робототехники. Специальная и спасательная робототехника // Робототехника и техническая кибернетика. 2023. № 1 (11). С. 5-11. DOI: 10.31776/RTCJ.11101

Смирная Л. Д., Вершинина И. П. О точности позиционирования шагающих движителей мобильных роботов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2021. № 9 (256). С. 69-73. DOI: 10.35211/1990-5297-2021-9-256-69-73

Страшнов Е. В., Мироненко И. Н. Стабилизация движения двуногих шагающих роботов в системах виртуального окружения // Успехи кибернетики. 2022. Т. 3, № 4. С. 75-83. DOI: 10.51790/2712-9942-2022-3-4-09

Russo M., Ceccarelli M., Cafolla D., Matsuura D., Takeda Y. (2019) An Experimental Characterization of a Parallel Mechanism for Robotic Legs. In: Arakelian V., Wenger P. (eds) ROMANSY 22 - Robot Design, Dynamics and Control. CISM International Centre for Mechanical Sciences, 2019, vol. 584, Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-319-78963-7_4

Published

09.01.2024

How to Cite

Borina А. П. (2024). Control of Dynamic Biped Walking Robot. Vestnik IzhGTU Imeni M.T. Kalashnikova, 26(4), 4–12. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2023-4-4-12

Issue

Section

Articles