Modeling and Control for Efficient Bipedal Walking Robots: A Port-Based Approach

روبات‌های راه‌رو ماشین‌های پیچیده‌ای هستند که درجات آزادی زیادی دارند. طراحی کنترل‌کننده‌های کارآمد برای چنین روبات‌هایی می‌تواند کاری دلهره‌آور باشد، و معادلات دیفرانسیل به خودی خود معمولاً هنگام تلاش برای درک دینامیک کمک چندانی نمی‌کنند. با این حال، تحقیقات روی ربات‌های متحرک پویا غیرفعال نشان داده است که می‌توان مکانیزم‌های رباتیک را به طور بسیار طبیعی و کارآمد و بدون استفاده از هیچ کنترلی راه رفتن کرد! شکاف بین ربات‌های پیاده‌روی با موقعیت کنترل‌شده از نظر تئوری و واکرهای غیرفعال-دینامیک کنترل‌نشده با طراحی آزمایشی زیاد است، و گسترش واکر غیرفعال-دینامیک برای قوی‌تر و همه‌کاره‌تر شدن، بی‌اهمیت است.

هدف از این کار ارائه مجموعه‌ای از ابزارهای ریاضی است که می‌تواند مطالعه حرکات راه رفتن رباتیک و طراحی کنترل‌کننده‌های کم مصرف را ساده کند. نویسندگان روش‌های مدل‌سازی دینامیکی کلاسیک را گسترش می‌دهند و روبات‌ها و کنترل‌کننده‌ها را به‌عنوان سیستم‌های فیزیکی مبادله‌کننده انرژی می‌بینند، که اساس رویکرد به اصطلاح مبتنی بر پورت را تشکیل می‌دهد. آنها نشان می دهند که چگونه می توان از چنین روش هایی برای تجزیه و تحلیل مکانیسم های راه رفتن، یافتن مسیرهای راه رفتن کارآمد و طراحی کنترل کننده هایی استفاده کرد که استحکام و پایداری را با حداقل هزینه انرژی افزایش می دهد. مثال‌ها و تصاویر گسترده با این هدف استفاده می‌شود که ریاضیات را برای همه افراد با پیشینه مهندسی شهودی و قابل دسترس کند.

Walking robots are complex machines with many degrees of freedom. Designing efficient controllers for such robots can be a daunting task, and the differential equations by themselves usually do not help much when trying to understand the dynamics. Still, research on passive dynamic walking robots has shown that it is possible to make robotic mechanisms walk very naturally and efficiently without using any control! The gap between theoretically well-understood position-controlled walking robots and experimentally-designed uncontrolled passive-dynamic walkers is nevertheless large, and extending a passive-dynamic walker to be more robust and versatile is non-trivial.

The purpose of this work is to present a set of mathematical tools that can simplify studying robotic walking motions and designing energy-efficient controllers. The authors extend classical dynamic modeling methods and view robots and controllers as energy-exchanging physical systems, which forms the basisof the so-called port-based approach. They show how such methods can be used to analyze walking mechanisms, find efficient walking trajectories, and design controllers that increase robustness and stability with minimal energy cost. Extensive examples and illustrations are used with the objective to make the mathematics intuitive and accessible to everyone with an engineering background.