Παραμετρική Μελέτη Βηματισμού Τετράποδου Ρομπότ Με Χρήση Διαγραμμάτων Hildebrand

Abstract

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία, μελετάται – εκτενώς – το πρόβλημα της συστηματικής περιγραφής της «μόνιμης κατάστασης» της εκάστοτε προσομοιωμένης κίνησης ενός επίπεδου, υποεπενεργούμενου, τετράποδου ρομπότ. Ιδιαίτερη σημασία, αποδίδεται στη διερεύνηση της επίδρασης κάθε μίας εκ των διάφορων παραμέτρων που συνθέτουν το τετράποδο ρομπότ, το περιβάλλον του, τις αρχικές συνθήκες της κίνησής του ή τη λειτουργία του συστήματος ελέγχου του, στο είδος και τα χαρακτηριστικά του επιλεγόμενου, από αυτό, διασκελισμού. Αυτός ο διασκελισμός, επαναλαμβανόμενος, συνθέτει την προαναφερόμενη μόνιμη κατάσταση της κίνησης του ρομπότ. Τέλος, αναπτύσσεται μία διαδικασία που υπολογίζει τα μοτίβα που δύνανται να περιγράψουν αφαιρετικά την εκάστοτε μόνιμη κίνηση του ρομπότ, αφού πρώτα εισαχθεί μία συγκεκριμένη κατηγοριοποίηση των εκτελούμενων διασκελισμών. Όσον αφορά στο θεωρητικό σκέλος της εργασίας, αξιοποιώντας τη μεθοδολογία των διαγραμμάτων Hildebrand, που χρησιμοποιούνται ευρέως στο πεδίο της Βιολογίας για την περιγραφή των βηματισμών των ζώων με πόδια, αναπτύσσεται ένας χαμηλού – επιπέδου αλγόριθμος που υπολογίζει τα ποσοτικά χαρακτηριστικά του αντιπροσωπευτικότερου διασκελισμού κάθε δυνατής μόνιμης κίνησης του ρομπότ. Ο αλγόριθμος που συντάσσεται για τον υπολογισμό των διαγραμμάτων Hildebrand, αποτελείται από τρία μέρη. Το πρώτο μέρος, αφορά στον υπολογισμό της χρονικής στιγμής μετάβασης από τη «μεταβατική» στη μόνιμη κατάσταση. Το δεύτερο, αφορά στη συλλογή των χρονικών στιγμών απογείωσης και προσγείωσης των ποδιών. Το τρίτο, και τελευταίο, σχετίζεται με τον αριθμητικό υπολογισμό των συστατικών στοιχείων των διαγραμμάτων. Για την περίπτωση των διδιάστατων τετράποδων ρομπότ, αυτά, είναι τρία, και, αφορούν στα (δύο, το πλήθος) ποσοστά φόρτισης των ποδιών και την ποσοστιαία χρονική διαφορά των προσγειώσεών τους.

In this Diploma Thesis, the problem of the systematic description of the gait, that, when repeated creates the steady state part of a given simulated quadruped robot motion, is addressed. Of great importance, is considered to be the inspection of the effect of each parameter, that emerges either in the design process of the robot, the modeling of its environment, the portraiture of its initial motion conditions, or in its control system configuration, in the computed characteristics of the selected, by the quadruped robot, gait. Subsequently, a procedure is developed, such that, using this, one is able to derive the pattern that abstractly describes a given steady state motion part. The theoretical part of this thesis, is deployed around the adoption of the Hildebrand diagrams methodology, which emerges in the field of Biology in cases where the compact description of the gait, which a legged animal uses in its motion, is necessary. What is done, is the derivation of a low – level algorithmic process that carries out the Hildebrand diagram computation (i.e., its quantitative characteristics) of the most typical gait that is respective of a given simulated robot motion. The algorithm that is employed for the computation of the Hildebrand diagrams, consists of three parts. The first, refers to the computation of the instance that indicates the end of the “transient” state and the beginning of the “steady” state of its movement. The second, concerns the collection of the instance values that are respective to the touch – down and lift – off events of the two pairs of legs (hind and fore). Conclusively, the third part, contains the method for the calculation of the numeric values that compose a Hildebrand diagram. In the case of planar four – legged robots, these are three, namely, the hind and fore duty factors and the phase relationship between the ground contact instances of the leg pairs. Each of those three quantities, is considered as a percentage of the stride duration.