Walking gait of a planar bipedal robot with four-bar knees

Marche d’un robot bipède plan équipé de genoux à 4-barres

UNAM, IRCCyN, UMR CNRS 6597, CNRS, École Centrale de Nantes, Université de Nantes 1, rue de la Noë, BP 92101, 44321 Nantes, France

Received: 17 July 2012
Accepted: 20 November 2012

Abstract

The design of a knee joint is a key issue in robotics and biomechanics to increase the compatibility between prostheses and human movements and to improve the performances of the bipedal robot. We propose a novel design for the knee joint of a planar bipedal robot, based on a four-bar linkage. The advantage of this structure is to produce a translation of the instantaneous center of rotation (ICR) of the knee joint like in the human case. We propose to study the sthenic criterion of a bipedal robot using four-bar knee joint during a walking gait. This walking gait is a succession of finite time double support phases, single support phases and impacts. During the double support phase, both feet rotate. This phase is ended by an impact on the ground of the toe of one foot, the other foot taking off. The single support phase is ended by an impact of the swing foot heel, the other foot keeping contact with the ground through its toe. A parametric optimization problem is presented for the determination of the parameters corresponding to the optimal cyclic walking gait. The main contribution of this paper is to show the influence of double support phases for cyclic stable walking gaits with this novel bipedal robot.

Résumé

La conception d’une articulation de genou est un problème majeur en robotique et en biomécanique pour augmenter la compatibilité entre les prothèses et les mouvements de l’homme ainsi que pour améliorer les performances des robots bipèdes. Nous proposons une nouvelle conception pour l’articulation du genou d’un robot bipède. Cette articulation a une structure parallèle à 4-barres. L’avantage de cette structure est de produire une translation du centre de rotation instantanée de l’articulation du genou, similaire à celui de l’articulation du genou humain. Nous proposons d’étudier les performances énergétiques au cours d’un mouvement de marche pour un robot bipède équipé de cette articulation à l’aide d’un critère sthénique. Cette marche est une succession de phases de double appui et de simple appui séparées par des impacts impulsionnels. Durant la phase de double appui, les deux pieds sont en rotation. Elle se termine lors du contact à plat du pied avant et du décollement du pied arrière. La phase de simple appui se termine lors du contact du talon pied en balancement sur le sol. Un problème d’optimisation paramétrique est utilisé afin de générer ces mouvements de marche cyclique. La contribution principale de cet article est de montrer l’influence des phases de double appui lors d’une marche cyclique pour cette nouvelle conception de robot.