Kinematic and dynamic analysis for biped robots design

e-Archivo Repository

Show simple item record

dc.contributor.advisor García Prada, Juan Carlos
dc.contributor.author Alba Lucero, David Mauricio
dc.date.accessioned 2012-07-17T08:36:50Z
dc.date.available 2012-07-17T08:36:50Z
dc.date.issued 2012
dc.date.submitted 2012-03-09
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/14923
dc.description.abstract 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. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
dc.description.abstract In this thesis a method to find dynamically equivalent systems is proposed. The objective is to provide a tool to analyze biped robots by simplifying their dynamics to simpler models. The equivalent models are obtained with the concept of dynamic equivalence that states that if two systems share the same total mass, the same center of mass, and the same moment of inertia then they are considered to be dynamically equivalent. This concept is not new and it is used in the design of alternative machines, or to find the sweet spot of long object like swords or bats. The result of the application of the dynamic equivalence principle is the point known as the center of percussion. The novelty in this thesis is to apply this concept to the analysis of biped robots, and the extension of the center of percussion to kinematic chains. The work in this thesis developed with the help of the simulation language Modelica®. The simulations are very detailed by implementing elaborated rigid body dynamics provided by the multibody standard library included in the language specifications. New classes were created in order to be able to simulate walking machines. Those classes introduce contact objects at ground foot interactions and mechanical stops for knee joints. The development of this thesis is centered around the proposal of two models. The first model is an equivalent inverted pendulum with the characteristic that it has the same dynamic properties, i.e., total mass, center of mass and moment of inertia, of the biped that models. This model is later used to synthesize gait in a simple, but realistic biped. The biped is simulated with a flywheel body, and point feet. It has knees and it is fully actuated. Also all the links have complete rigid body properties and no simplifications were done. The second model has the objective to resemble the topology of the biped it represents, therefore it is slightly more complex than the equivalent inverted pendulum. This model is constructed by grouping the components of the robot in three groups: Two legs and the HAT group (HAT stands for head, arms and trunk). This model is denominated four point masses model. The model is later validated by decoupling the dynamics of the system only with the information provided by the four point masses model.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Biped robots
dc.subject.other Robot design
dc.subject.other Kinematic analysis
dc.subject.other Dynamic analysis
dc.title Kinematic and dynamic analysis for biped robots design
dc.type doctoralThesis
dc.type.review PeerReviewed
dc.subject.eciencia Ingeniería Mecánica
dc.rights.accessRights openAccess
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Mecánica
 Find Full text

Files in this item

*Click on file's image for preview. (Embargoed files's preview is not supported)


The following license files are associated with this item:

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record