Theoretical and experimental analysis of a soft and miniature quadruped

Bacaklı ve katı olmayan robotların çok gövdeli dinamik modellemesi, bir robotun çevresi ile etkileşimini ve ortaya çıkan hareketini araştırmak amacıyla çalışılan aktif bir araştırma alanıdır. Bu çalışmaların sonuçlarından, robotun mekanik tasarımının yinelemeli süreci ile, yüksek ve düşük seviyeli kontrolörlerinin algoritma tasarımı için kullanılabilecek bir simülasyon oluşturmak için faydalanılabilir. Fakat, parçalı türevler ve şekil integrallerinden ötürü yumuşak robotların dinamik modellerinin geliştirilmesi sert robotlara kıyasla daha zorludur ve bu konudaki literatür gelişmeye açıktır. Bu çalışmanın konusu C-bacaklı yumuşak ve minyatür bir robottur (S-Quad). Gövdesinin ve bacaklarının yumuşaklığının hareketine olan etkisini analiz etmek için bir yumuşak cisim dinamik modeli geliştirilmiştir. Geliştirme süreci, yumuşak cisim dinamik modeli için bir temel olacak ve robotun rijit gövde – rijit bacaklı (RBRL) versiyonunu analiz etmek için kullanılacak rijit cisim dinamik analizi ile başlamıştır. Newton-Euler yöntemi, temas kuvvetlerinin viskoelastisite teorisi ile tahmin edildiği bu modeli geliştirmek için kullanılmıştır. Robotun hareketini tahmin etmek için farklı model parametrelerinin senaryoları simüle edilmiştir. Elde edilen sonuçlarla model parametrelerinin etkileri tartışılmış ve daha sonra uygun parametreler seçilmiştir. Robot dinamiklerinin içindeki kavisli bir bacağın temas analizinin herhangi bir kesişme algoritmasının kullanılmadan yapılması, bu çalışmanın avantajlı bir yönüdür. Bacakların yumuşaklığı, doğrusal olmayan viskoelastik bir model kullanılarak bu dinamik analize dahil edilmiştir. Bacağın yumuşaklığının bacağın yuvarlanma açısına bağlılığı Castigliano teoremi ile türetilmiştir. Daha sonra, sert gövde – yumuşak bacaklı (RBSL) robotun hareketi bu model göre tahmin edilmiştir. RBRL ve RBSL sonuçlarının karşılaştırılması bacak uyumunun etkisini yorumlamak için kullanılmıştır. Bu yumuşak bacak modelinin modellenmesi ve robot dinamikleri ile entegrasyonu, bu çalışmanın getirdiği yeni bir yöndür. Yumuşak gövdenin temas kuvvetleri altındaki esnemesini tahmin edebilmek için, RBRL simülasyonundan elde edilen kuvvet değerleriyle çevrimdışı bir Sonlu Eleman Analizi yapılmıştır. Tahmini esnemeler, yumuşak gövde – sert bacaklı (SBRL) robotun simülasyonunu elde etmek için bu simülasyona geri konulmuştur. Böylece geliştirilen modelin gövde esnemelerini de içerme kabiliyeti kanıtlanmıştır. Son olarak, RBRL ve RBSL robot simülasyonları, bir hareket yakalama sistemi ile yapılan deneylerle doğrulanmıştır. Bu deneysel sonuçlar, robotta yumuşak bir gövde kullanmanın avantajlarını ve dezavantajlarını yorumlamak için de kullanılmıştır.