Abstract:

This  paper  shows  the  design  and  analysis  of  a  parallel  three-dimensional  linkage, conceived to work as the ankle and hip joints of an anthropometric biped robot. This kind of mechanism  architecture  provides  low-weight,  highly  stable  assemblies,  and  allows  the use  of  actuator  synergies.  On  the  other  hand,  the  mechanical  transmission  ratio  is  not usually  favorable,  and  a  non-linear  kinematic  model  has  to  be  derived  and  solved.  The mechanism proposed here is driven by two rotational servo-actuators, and allows the joint to  follow  a  specified  angular trajectory  determined by  the  gait  pattern.  Namely,  the  joint linkage  can  generate  dorsi/plantar  flexion  and  inversion/eversion  of  the  ankle,  and  hip flexion/extension  and  adduction/abduction  movements.  Several  approaches  to  the  direct and  inverse  kinematical  modeling  of  the  linkage  are  presented  and  compared,  regarding their  accuracy  and  computational  cost,  where  the  last  performance  parameter  is  closely related  to  on-line  computer  implementing  of  the  controller.  Strategies  to  fit  current  gait angular  amplitudes  into  the  linkage  workspace,  as  well  as  singularity  analysis,  are discussed.  An  optimization  method  was  applied  to  find  some  geometrical  design parameters  of  the  linkage  that  minimizes  a  cost  function.  This  function  is  the  mean transmission ratio between the motor inputs and the joint output torques over a predefined dominion.  The  minimization  is  constrained  to  a  minimum  workspace  area  value  and  to minimum  and  maximum  values  of  the  design  parameters.  Several  design  solutions  were generated.  The  chosen  was  one where  the  workspace  is  compatible  to  the  gait  amplitude requirements  and  that  exhibits  the  lowest  cost  function.  A  biped  robot  using  the  linkage geometry  designed  in  this  paper  has  been  built  and tested  with  real  human  gait  data acquired in a gait lab. 

جهت دانلود به ادامه مطلب مراجعه نمایید.