3D Modelling and design of a bioloid compliant quadruped leg

Abstract

In the growing fields of rehabilitation robotics, prosthetics, and walking robots, the modeling of a real robot is a complex and passionate challenge. On the crossing point of mechanics, physics and computer-science, the development of a complete model involves multiple tasks ranging from the 3D modeling of the different body parts, the measure of the different physic properties, the understanding of the requirements for an accurate simulation, to the development of a robotic controller. In order to minimize large forces due to shocks, to safely interact with the user or the environment, and knowing the ability of passive elastic elements to store and release energy, compliant mechanisms are increasingly being applied in robots applications. This work aims to the elaboration of an accurate efficient three-dimensional model of the legs of the quadruped Bioloid robot and the development of a world showing the effect on WebotsTM simulation software developed by Cyberbotics Ltd. The goal was to design a segmented pantographic leg with compliant joints, in order to actively retract the collision and the impact of the quadruped legs with the ground during locomotion. Geometrical and mechanical limits have to be evaluated and considered for the modeling setup. Finally a controller based on the use of Central Pattern Generators was improved in order to adapt to the novel model and simple tests were performed in the WebotsTM, rendering a 3D model simulation for the different values of spring-damping coefficients at the legs knee joint. Through the a MATLAB® algorithm, the characterization of the joint angles during simulation was possible to be assessed.

A modelação de um robot real é um desafio complexo e fascinante na crescente área da Robótica, que engloba desde robots de reabilitação, próteses a uma diversidade de outros dispositivos locomotores. No cruzamento da mecânica com a física e as ciências computacionais, o desenvolvimento de um modelo completo envolve várias tarefas que vão desde a modelação 3D das diferentes partes do corpo, a medição das propriedades físicos inerentes, a compreensão dos requisitos para uma simulação precisa bem como a aplicação de um controlador robótico. A fim de minimizar grandes forças devido a choques, interagir com segurança com o utilizador ou o ambiente e conhecendo a capacidade de armazenagem de energia por parte de elementos elásticos passivos, um sistema de amortecimento-mola demonstra ser uma aplicação de crescente interesse na Robótica. Este trabalho visa a elaboração de um modelo tridimensional eficiente e preciso das pernas do robô quadrúpede Bioloid a ser reproduzido num mundo no software WebotsTM desenvolvido pela Cyberbotics Ltd. O objectivo foi desenhar uma perna pantográfica segmentada tridimensional a ser aplicada em paralelo com um sistema de amortecimento-mola de forma a retrair activamente a colisão e o impacto das patas do quadrúpede com o solo durante a locomoção. Deste modo para uma configuração do modelo bem sucedida são tidos em conta limites geométricos e mecânicos. Por ultimo, o controlador com base no uso de ‘Central Pattern Generators’ foi melhorado a fim de se adaptar ao novo modelo e por conseguinte foram realizados testes simples usando o simulador WebotsTM. Nesta parte experimental é realizada a simulação do modelo permitindo avaliar o comportamento do modelo 3D para diferentes valores de coeficientes de mola e de amortecimento aplicados a nível do joelho da perna. Através de um algoritmo MATLAB® é possível caracterizar e analisar o comportamento doa ângulos das juntas durante a simulação.