Os dispositivos robóticos bípedes tem um grande potencial de aplicações tanto comerciais como para pesquisa. Dentre as presentes lacunas existentes que limitam a sua aplicabilidade prática tem um destaque especial a incapacidade de realizar uma marcha estável, robusta, versátil e eficiente no ponto de vista energético. No presente estado da arte, existem três principais estratégias de abordagem para o problema e algumas de suas implementações obtiveram sucesso em satisfazer pelo menos um dos requisitos listados, porém nunca todos eles de forma simultânea. Dentro deste cenário, este trabalho se propôs desenvolver um novo critério de estabilidade para marcha bípede que possibilite marchas versáteis, robustas e eficientes. Inicialmente foi realizada uma avaliação de diversos simuladores de código aberto e o Simbody foi definido como o mais apropriado para ser utilizado no desenvolvimento das simulações dinâmicas realizadas nesta Tese. Uma toolbox de MATLAB para auxiliar nos cálculos cinemáticos e dinâmicos foi desenvolvida em conjunto com um módulo de Inter Process Communication para realizar a comunicação entre o MATLAB e o simulador. Foi realizado um estudo da marcha bípede, implementando e avaliando as estratégias do Zero Moment Point e do Limit CycleWalking. Este estudo resultou numa proposta de controlador não linear comutado para robôs em Ciclo Limite. Na procura de um novo critério de estabilidade foi abordado o estudo da marcha humana. Um procedimento para identificar os mecanismos que controlam a estabilidade da marcha humana é analisar a mesma sob perturbações, como tropeços, ou na ultrapassagem de obstáculos. Na literatura existiam bastantes referências sobre este tema, porém, faltou uma comparação da marcha humana sob diferentes condições de visão com a marcha de robôs que utilizam o ZMP. Foi descoberto que os seres humanos privados de visão têm uma estratégia de ultrapassagem de obstáculos semelhante a um robô com ZMP. A partir do conhecimento adquirido deste estudo é proposto e formulado um novo critério de estabilidade, o Step Viability, inspirado na marcha humana e no conceito de N-Step Capturability. O Step Viability baseia-se na definição de restrições que garantem a viabilidade de realizar passos futuros que garantam a convergência para um ponto fixo em tempo finito. O critério foi implementado utilizando-se uma otimização de trajetória multi-fase. Múltiplos testes foram realizados utilizando-se o modelo Compass Gait com diferentes parâmetros (distribuição de massa, torque máximo disponível), com diferentes inclinações e com vários padrões de marcha desejados (periódico, aumento uniforme e até aleatório não periódico). Adicionalmente o critério foi testado em um modelo de 5 segmentos, sintetizando uma marcha com variação tanto linear quanto aleatória. O critério foi bem-sucedido na geração de uma marcha estável em todos os testes e os resultados foram consistentes. A marcha pode ser sintetizada completamente desacoplada do critério de estabilidade, e o modelo renunciou automaticamente do padrão desenhado em favor da estabilidade. / Bipedal robots present a great potential for both commercial and research applications. However, there are some drawbacks that limit their applicability in the real world. The most prominent is the inability to perform a stable, robust, versatile and efficient gait. There are three main state of the art strategies to approach this problem. However, none of them has been successful in satisfying all the listed requirements simultaneously. In this context, this work conducted a study of bipedal gait, both in humans and robots, in order to implement and evaluate existing stability strategies. As a first step, an evaluation of several open source simulators was performed and Simbody was chosen as the most adequate for the dynamic simulations carried out in this Thesis. A MATLAB toolbox to help in the kinematic and dynamic calculations was developed in conjunction with a module of an Inter Process Communication to perform the communication between MATLAB and the simulator. A bipedal gait study was carried out, implementing and evaluating Zero Moment Point and Limit Cycle Walking strategies. This study resulted in a proposed nonlinear switched controller for Limit Cycle robots. In the search for a new stability criterion, human gait was analyzed. A procedure to identify the mechanisms controlling human gait stability is to analyze gait under disturbances such as stumbling or overcoming obstacles. In the literature, there were many references on this subject, however, there was a lack of comparison of the human gait under different vision conditions with the gait of robots that use the ZMP. It was found that vision-deprived humans have an obstacle crossing strategy similar to robots with ZMP. From the knowledge acquired from this study, it is proposed a novel stability criterion, the Step Viability, inspired on human gait and the N-Step Capturability concept. The Step Viability is based on the definition of constraints that ensure the viability of performing future steps that guarantee convergence to a fixed point in finite time. The criterion was implemented using a multi-phase trajectory optimization. Multiple tests were performed using the Compass Gait model with different parameters (mass distribution, maximum available torque), with different slopes and with several desired gait patterns (periodic, uniform increase and even random non-periodic). Additionally, the criterion was tested in a 5-links model, synthesizing a gait with both linear and random velocity variation. The criterion was successful on generating a stable gait in all the tests and the results presented consistent data. The gait could be designed completely uncoupled from the stability criterion, yet the model automatically renounced to follow the desired pattern in favor of maintaining stability.

The omnipresent tendency to &ldquo / live easy&rdquo / is a sign of our need for automatization. To enable for such a &ldquo / comfortable and safe&rdquo / world, the automatic systems have to be developed that satisfies the necessities of life. Biologically inspired robots, especially the humanoids, are thus the key, and research in this area focuses on the improvement of such systems. Lately, it has been shown by high dexterity examples that the humanoid robots achieved to a mature level even if there are still open issues to be improved, especially in the control and stability of the bipeds. The purpose of this thesis is to study biped locomotion in different floor conditions, such as stairs and obstacles / to improve the research done in this area / to contribute to the development of autonomous biped robots, dynamic modeling, gait planning, supervisory and guidence control, stability analysis of biped robots / and to implement new control algorithms for biped locomotion, especially by using optimization and high level intelligent control techniques. The locomotion aimed to be realized results from complex, high-dimensional, nonlinear and dynamically related interactions between the robot and its environment. The mathematical modeling of the physical system is realized based on a 5-link 7 DOF biped robot model walking on a 3D planar surface and the dynamic simulation is performed using MATLAB. In terms of control, several different methods applied, comparison and the performance of each method are given. The 3D dynamic simulation software is developed, which allows the user to operate the biped systems within a 3D virtual environment.

Os dispositivos robóticos bípedes tem um grande potencial de aplicações tanto comerciais como para pesquisa. Dentre as presentes lacunas existentes que limitam a sua aplicabilidade prática tem um destaque especial a incapacidade de realizar uma marcha estável, robusta, versátil e eficiente no ponto de vista energético. No presente estado da arte, existem três principais estratégias de abordagem para o problema e algumas de suas implementações obtiveram sucesso em satisfazer pelo menos um dos requisitos listados, porém nunca todos eles de forma simultânea. Dentro deste cenário, este trabalho se propôs desenvolver um novo critério de estabilidade para marcha bípede que possibilite marchas versáteis, robustas e eficientes. Inicialmente foi realizada uma avaliação de diversos simuladores de código aberto e o Simbody foi definido como o mais apropriado para ser utilizado no desenvolvimento das simulações dinâmicas realizadas nesta Tese. Uma toolbox de MATLAB para auxiliar nos cálculos cinemáticos e dinâmicos foi desenvolvida em conjunto com um módulo de Inter Process Communication para realizar a comunicação entre o MATLAB e o simulador. Foi realizado um estudo da marcha bípede, implementando e avaliando as estratégias do Zero Moment Point e do Limit CycleWalking. Este estudo resultou numa proposta de controlador não linear comutado para robôs em Ciclo Limite. Na procura de um novo critério de estabilidade foi abordado o estudo da marcha humana. Um procedimento para identificar os mecanismos que controlam a estabilidade da marcha humana é analisar a mesma sob perturbações, como tropeços, ou na ultrapassagem de obstáculos. Na literatura existiam bastantes referências sobre este tema, porém, faltou uma comparação da marcha humana sob diferentes condições de visão com a marcha de robôs que utilizam o ZMP. Foi descoberto que os seres humanos privados de visão têm uma estratégia de ultrapassagem de obstáculos semelhante a um robô com ZMP. A partir do conhecimento adquirido deste estudo é proposto e formulado um novo critério de estabilidade, o Step Viability, inspirado na marcha humana e no conceito de N-Step Capturability. O Step Viability baseia-se na definição de restrições que garantem a viabilidade de realizar passos futuros que garantam a convergência para um ponto fixo em tempo finito. O critério foi implementado utilizando-se uma otimização de trajetória multi-fase. Múltiplos testes foram realizados utilizando-se o modelo Compass Gait com diferentes parâmetros (distribuição de massa, torque máximo disponível), com diferentes inclinações e com vários padrões de marcha desejados (periódico, aumento uniforme e até aleatório não periódico). Adicionalmente o critério foi testado em um modelo de 5 segmentos, sintetizando uma marcha com variação tanto linear quanto aleatória. O critério foi bem-sucedido na geração de uma marcha estável em todos os testes e os resultados foram consistentes. A marcha pode ser sintetizada completamente desacoplada do critério de estabilidade, e o modelo renunciou automaticamente do padrão desenhado em favor da estabilidade. / Bipedal robots present a great potential for both commercial and research applications. However, there are some drawbacks that limit their applicability in the real world. The most prominent is the inability to perform a stable, robust, versatile and efficient gait. There are three main state of the art strategies to approach this problem. However, none of them has been successful in satisfying all the listed requirements simultaneously. In this context, this work conducted a study of bipedal gait, both in humans and robots, in order to implement and evaluate existing stability strategies. As a first step, an evaluation of several open source simulators was performed and Simbody was chosen as the most adequate for the dynamic simulations carried out in this Thesis. A MATLAB toolbox to help in the kinematic and dynamic calculations was developed in conjunction with a module of an Inter Process Communication to perform the communication between MATLAB and the simulator. A bipedal gait study was carried out, implementing and evaluating Zero Moment Point and Limit Cycle Walking strategies. This study resulted in a proposed nonlinear switched controller for Limit Cycle robots. In the search for a new stability criterion, human gait was analyzed. A procedure to identify the mechanisms controlling human gait stability is to analyze gait under disturbances such as stumbling or overcoming obstacles. In the literature, there were many references on this subject, however, there was a lack of comparison of the human gait under different vision conditions with the gait of robots that use the ZMP. It was found that vision-deprived humans have an obstacle crossing strategy similar to robots with ZMP. From the knowledge acquired from this study, it is proposed a novel stability criterion, the Step Viability, inspired on human gait and the N-Step Capturability concept. The Step Viability is based on the definition of constraints that ensure the viability of performing future steps that guarantee convergence to a fixed point in finite time. The criterion was implemented using a multi-phase trajectory optimization. Multiple tests were performed using the Compass Gait model with different parameters (mass distribution, maximum available torque), with different slopes and with several desired gait patterns (periodic, uniform increase and even random non-periodic). Additionally, the criterion was tested in a 5-links model, synthesizing a gait with both linear and random velocity variation. The criterion was successful on generating a stable gait in all the tests and the results presented consistent data. The gait could be designed completely uncoupled from the stability criterion, yet the model automatically renounced to follow the desired pattern in favor of maintaining stability.

La conception des robots humanoïdes est un défi depuis plusieurs années. Les articulations de l'être humain de par leur complexité cinématique créent des mouvements difficilement reproductibles par un mécanisme. Le genou humain permet des mouvements composés de roulement et de glissement. La conception de nouvelles articulations bio-inspirées est un enjeu pour recréer avec un robot une marche anthropomorphe. Une analyse de la cinématique des genoux a été effectuée et nous proposons une solution mécanique pour reproduire cette cinématique de genoux. L'idée est de recréer un genou avec un contact roulant entre le fémur et le tibia. Les modèles géométriques, cinématiques et dynamiques et un modèle d'impact sont développés pour un robot bipède muni de ce genou à contacts roulants. L'allure de marche est étudiée sous forme d'un problème d'optimisation paramétrique sous contraintes. Les trajectoires de marche sont approximées par des fonctions mathématiques pour deux allures de marche : une allure de simple support avec impacts et une allure de double support suivi d'un simple support puis d'un impact. Des critères énergétiques permettent de comparer le robot muni du mécanisme de genoux roulants à un robot muni de genoux à liaison rotoïde. Les résultats des optimisations montrent que le genou roulant apporte une diminution du critère sthénique. L'optimisation énergétique montre que les couples articulaires sont plus faibles sur les hanches ce qui engendre une diminution de la masse des actionneurs du robot. Enfin, un gain d'énergie est possible en associant des systèmes à ressorts en parallèle sur les articulations du robot. / The design of humanoids robot has been a tricky challenge for several years. Due to the kinematic complexity of human joints, their movements are notoriously difficult to be reproduced by a mechanism. The human knees allow movements including rolling and sliding, and therefore the design of new bio-inspired robots is of utmost importance for the reproduction of anthropomorphic walking in a robot. In this thesis, the kinematic characteristics of knees were analyzed and a mechanical solution reproducing them is proposed. The geometrical, kinematic and dynamic models are created together with an impact model for a piped robot with the knees proposed. The walking is studied as of a problem of parametric optimization under constraints. The trajectories of walking are simulated approximately by mathematical functions for two gaits: one of a single support with impacts and one of double supports followed by a simple support and then an impact. Energy criteria allow comparing the robot provided with the mechanism of rolling knees and a robot provided with revolute knees connection. The results of the optimizations show that the rolling knee brings a decrease of the sthenic criterion. The energy optimization shows that the articular couples are weaker on hips what engenders a decrease of the mass of the actuators of the robot. Finally, energy gains are possible by associating spring systems.