Mechanical Design, Development and Testing of Bioinspired Legged Robots for Dynamic Locomotion

Abstract

Animals perform complex locomotion tasks in the presence of large neurocontrol delays and low central command update rate. It is somewhat surprising that legged robots with high control frequencies and microsecond-range control delays are still unable to compete with legged animals in terms of agility, robustness, performance, and energy efficiency. In the first part of this thesis, we observe the limitations of previous robotic legs and look into the animal leg to draw inspiration and improve robotic leg designs. We observed that when we flex certain joints in the dead animal leg, all other joints move in a coordinated manner, although there is no active central controller. We further observed that birds’ legs structures were loadable or unloadable depending on foot segment orientation. From our observations, we developed a multi-segment leg that behaves like a spring-loaded leg during the stance phase and disengages its elasticity via foot extensor muscle (disengagement tendon) before the swing phase. Unlike previous robotic legs, the robot leg performs locomotion tasks with minimal actuator central control input. Furthermore, this novel robot achieves high speed and efficient locomotion with inexpensive, off-the-shelf hardware based on a Bioinspired leg design. In the second part of this thesis, we take a deeper look into other disengagement tendon tasks under different gait speeds. The disengagement tendon is an extensor muscle for the foot joints. Besides disengaging parallel elasticity, this tendon charges locomotion energy during stance and releases energy during the transition from stance to swing. Therefore, disengagement helps the leg flex faster, have faster leg protraction at high speed, and operate at lower locomotion energy. In the third part of this thesis, we use our novel leg design into a quadruped robot as a simplified physical model of a quadruped animal. We evaluate the effect of foot joint extensor muscle (disengagement) in quadrupedal trot gait. Unlike bipeds, leg loading is different between the front and hind leg in a quadruped robot. Quadruped animals such as dogs have less mobility in their distal joints for the hind leg compared to the front leg during trot gait. This difference is rooted in the development of extensor muscle at distal joints. We show this difference through our simplified physical model (robot). In walking scenarios, the hind leg foot segment rotates less under the same hip and knee position command due to trunk pitch down during the stance phase. As a result front leg recuperate energy nine times more than the hind leg via their extensor muscle. Since the hind leg does not benefit from the rotation of the foot segment during walking, it can be a source of why the hind leg in animals requires less mobility during walking. In the last part of this thesis, we investigate the effect of parallel physical elasticity combined with active control in performance robotic leg under central controller delay. Animals locomote robustly and agile despite significant sensorimotor delays of their nervous system. Robot sensors and actuators can respond within a few milliseconds. However, with unknown touch-down timing, controllers of legged robots can become unstable, while animals are seemingly unaffected. We examine this discrepancy and suggest and implement a hybrid system consisting of a physical parallel elasticity and virtual leg length controller. Our system shows robustness in the presence of high sensorimotor delays and low control frequencies.

Tiere führen komplexe Fortbewegungsaufgaben in Anwesenheit großer neuronaler Regelungsverzögerungen und niedriger zentraler Befehlsaktualisierungsraten aus. Es ist daher überraschend, dass mit Beinen ausgestattete Roboter trotz hoher Ansteuerungsfrequenz und Regelungsverzögerungen im Mikrosekundenbereich immer noch nicht mit Tieren mithalten können in Bezug auf Beweglichkeit, Robustheit, Leistung und Energieeffizienz. Im ersten Teil dieser Arbeit zeigen wir die Grenzen bisheriger Roboterbeine auf und untersuchen Tierbeine um daraus Inspirationen für ein verbessertes Design von Roboter beinen zu ziehen. Wir stellen fest, dass sich beim Anwinkeln bestimmter Gelenke eines toten Tierbeins alle anderen Gelenke koordiniert bewegen, obwohl keine aktive Zentralansteuerung vorliegt. Außerdem haben wir beobachtet, dass Strukturen von Vogelbeinen, je nach Ausrichtung der Fußsegmente, belastbar oder nicht belastbar sind. Auf der Grundlage unserer Erkenntnisse haben wir ein Bein mit mehreren Segmenten entwickelt, welches sich in der Standphase wie ein gefedertes Bein verhält und seine Elastizität vor der Schwungphase über einen Fußstreckermuskel (Kopplungssehne) aufhebt. Unser Roboterbein führt im Gegensatz zu bisherigen Roboterbeinen Fortbewegungsaufgaben mit minimalem Zentralansteuerung-Aufwand der Aktuatoren aus. Darber hinauserreicht dieser neuartige Roboter eine hohe Geschwindigkeit und effiziente Fortbewegung mit kostengnstiger, handelsüblicher Hardware auf der Grundlage eines von der Natur inspirierten Beinentwurfs. Im zweiten Teil dieser Arbeit befassen wir uns mit weiteren Aufgaben der Kopplungs sehne bei unterschiedlichen Ganggeschwindigkeiten. Die Kopplungssehne ist ein Strecker für die Fußgelenke. Zusätzlich zur Kopplung parallel-elastischer Elemente, speichert diese Sehne die Bewegungsenergie während der Standhaltung und gibt die Energie beim Stand-Schwung Übergang wieder frei. Dieser Kopplungsmechanismus trägt dazu bei, dass sich das Bein schneller beugt, bei erhöhter Geschwindigkeit schneller streckt und mit geringerer Energie fortbewegt. Im dritten Teil dieser Arbeit verwenden wir unseren neuartigen Beinentwurf für einen vierbeinigen Roboter als vereinfachtes physikalisches Modell eines vierbeinigen Tieres. Wir untersuchen die Wirkung des Fußgelenkstreckermuskels (Kopplung) beim vierbeinigen Trab. Im Gegensatz zu Zweibeinern, weist ein vierbeiniger Roboter eine unterschiedliche Beinbelastung zwischen dem Vorder- und dem Hinterbein auf. Bei Vierbeinern wie Hunden ist während des Trabgangs die Beweglichkeit der distalen Gelenke des Hinterbeins geringer als die des Vorderbeins. Dieser Unterschied ist auf die Entwicklung der Streckmuskeln an den distalen Gelenken zurückzuführen. Wir zeigen diesen Unterschied anhand unseres vereinfachten physikalischen Robotermodells. Bei der Fortbewegung dreht sich das Fußsegment des Hinterbeins bei gleicher Hüft und Knieposition weniger, da sich der Rumpf in der Standphase nach unten neigt. Infolgedessen gewinnt das vordere Bein über seinen Streckmuskel neunmal mehr Energie zurück als das hintere Bein. Da das Hinterbein beim Gang nicht von der Rotation des Fußsegments profitiert, kann dies eine Ursache dafür sein, warum das Hinterbein bei Tieren während des Fortbewegung weniger Beweglichkeit erfordert. Im letzten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Auswirkung der physikalisch-parallelen Elastizität in Kombination mit aktiver Ansteuerung von leistungsfähigen Roboterbeinen mit zentraler Regelungsverzögerung. Tiere bewegen sich trotz erheblicher sensomotorischer Verzögerungen ihres Nervensystems robust und wendig. Folglich können Robotersensoren und aktuatoren innerhalb weniger Millisekunden abgerufen werden. Bei unbekanntem Aufsetzzeitpunkt kann die Ansteuerung von Laufrobotern jedoch instabil werden, während Tiere davon scheinbar unbetroffen sind. Wir untersuchen diese Diskrepanz und entwickeln ein hybrides System, welches aus einem physikalisch-parallelen Elastizität und einem virtuellen Beinlängen-Regler besteht. Die Implementierung unseres Systems zeigt sich robust gegenüber großen sensomotorischen Verzögerungen und niedrigen Ansteuerungsfrequenzen.