Kinematic and dynamic analysis for biped robots design

Resumen

En esta tesis un nuevo método para encontrar sistemas dinámicamente equivalentes es propuesto. El objetivo es el de crear una herramienta para el análisis de robots bípedos. La herramienta consiste en modelos simplificados obtenidos del principio de equivalencia dinámica, que dice que si dos sistemas poseen la misma masa, el mismo centro de masa y el mismo momento de inercia, entonces son dinámicamente equivalentes. Este concepto no es nuevo y es comúnmente utilizado en el diseño de máquinas alternativas, o para encontrar el sweet spot de objetos esbeltos tales como bates o espadas. Con la aplicación del principio de equivalencia dinámica se encuentra el centro de percusión. La aportación en esta tesis es la aplicación de este concepto al análisis de robots bípedos, y la extensión del centro de percusión a cadenas cinemáticas. La herramienta fundamental para la obtención de resultados de investigación en esta tesis hace uso del lenguaje de simulación Modelica®. Las simulaciones son altamente detalladas gracias a la librería estándar Multibody incluida en las especificaciones del mismo. Como consecuencia de los trabajos desarrollados se crearon nuevas clases para extender la capacidad de la librería y aplicarla a m´aquinas caminantes. El desarrollo de esta tesis está centrado en el desarrollo de dos modelos. El primero es un péndulo invertido equivalente, con la característica que posee las mismas propiedades dinámicas del robot que modela. Dichas propiedades son la masas total, el centro de masa y el momento de inercia. Este modelo es luego utilizado para generar el caminar de un bípedo simple. El bípedo es simulado con un volante de inercia como cuerpo, y pies de contacto puntual. Posee rodillas y está totalmente actuado. Los eslabones del robot poseen propiedades de sólido rígido y ninguna simplificación ha sido considerada. El segundo modelo tiene el objetivo de imitar la topología del bípedo que representa, por lo tanto tiene un grado mayor de complejidad que el anterior. Este modelo es construido al dividir al robot en tres grupos: Las dos piernas, y otro grupo compuesto por la cabeza, los brazos y el torso (Denominado HAT por sus siglas en inglés). Este modelo es denominado modelo de cuatro masas puntuales. Este modelo es posteriormente validado utilizándolo para desacoplar la dinámica del sistema, la única información utilizada para llevar a cabo esta tarea es proporcionada por dicho modelo. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------