Modelling and application of a bipedal mechanism

Abstract

İki ayaklı yürüme, hem sağ hem sol ayağın uzuvların, eklemlerin ve kasların birbirlerine göre değişik hızlarda senkronize hareket etmesi ile insan hareketlerinin en önemlilerinden bir tanesi olarak sayılmaktadır. İki ayaklı yürüme sistemi, istenen hareketleri yapabilmek için çeşitli kontrol, algılıyıcı ve eyleyici sistemler ile birlikte çalışan bir meaknizmalar grubundan oluşmaktadır. Bu çalışmada, iki ayaklı yürüme ile ilgili temel tanımlamalar verilmekte ve iki ayaklı bir mekanizmanın sajital düzlemde matematiksel modeli oluşturulmaktadır. Sistem dinamiği elde edildikten sonra ileri beslemeli kompanzasyon yöntemi kullanılarak kalça ve ayak bileği yörüngelerinin model tabanlı kontrolü yapılmış ve simulasyon sonuçları ortaya konulmuştur. İki ayaklı yürüme çalışmaları sadece iki ayaklı yürüme modelleri ve iki ayaklı yürüyen robotlarla sınırlı kalmamaktadır. Yürümeye yardımcı cihazlar de bu çalışma alanı ile ilişkilidir. Bu nedenle, bu çalışmada çok merkezli bir diz eklemine sahip yapay hibrit bacak tasarımı yapılmıştır. Bahsedilen çok eksenli diz mafsalı bir dört kol mekanizmasıdır. Yapay ayak modelinin kinematik ve dinamik analizleri kapsayan teorik altyapı açıklanmış ve daha sonra da bir deney düzeneği kurulmuştur. Noktadan noktaya pozisyon kontrolü ve bozucu girdi etkisini yok eden ileri beslemeli kompanzasyonu şeklinde iki değişik yörünge kontrolü yapısı geliştirilmiş ve deney düzeneğinde denemeleri yapılmıştır. Çalışma sonunda kontrol stratejilerinin performanslarını gösteren sonuçlar verilmiştir. Bipedal walking is considered as one of the most important movements of human-being with full of synchronized relative motions of limbs, joints and muscles of both right and left legs with respect to each other, in changing walking velocities. Bipedal walking system is not only composed of dynamic mechanisms but it is also considered as a combination of these mechanisms with various control, sensory and actuator systems. In this work, basic definitions about bipedal walking are given and based on these definitions, mathematical model of a bipedal walker in sagittal plane is derived. After the solutions for the system dynamics are obtained, model based control of the ankle and hip joint trajectories are achieved by using feed forward compensation methodology and simulation results are carried out. Bipedal walking researches are not limited only with the two-legged walking robots and models. Walking aid devices are also related with these studies. For this reason a walking aid device which is an artificial hybrid leg having a polycentric knee joint is designed in this study. Polycentric knee joint considered here is a four bar mechanism. Theoretical background of the artificial leg model, including kinematic and dynamic analyses of the leg is explained and then an experimental setup is built. Two different trajectory control structures which are the point to point position control and the feed-forward compensation with disturbance rejection strategy are developed and experienced on the experimental setup. Results which show the performance of the control strategies are given at the end of the study