Analysis and control of a running spring-mass model with an upright trunk based on virtual pendulum concept

Yaylı Ters Sarkaç (SLIP), dinamiklerini bir şablon modeli olarak gömerek bacaklı hayvanların koşma davranışını analiz etmek için ve denetleyicilerin tasarımında yaygın olarak kullanılır. Bir nokta kütleye tutturulmuş kütlesiz ideal esnek bir bacaktan oluşan kavramsal bir modeldir. SLIP modeli, bacaklı hayvanların kütle merkezinin yörüngelerini yeterince açıklayabilse de, bu modelin fazla basitleştirilmiş yapısı nedeniyle gerçek platformlara gömülürken yetersiz kaldığı bazı durumlar olmuştur. Yıllar boyunca araştırmacılar, SLIP modelini fiziksel platformlara daha uygun hale getirmek için SLIP modeline eyleyici ve sönümleme gibi çeşitli uzantılar önerdiler. Bunlara ek olarak, SLIP modelinin bir diğer kritik uzantısı, insansı robotlar gibi kalça ekleminden uzak vücut kütlesine sahip sistem1lerde kaçınılmaz olan, üst vücut dinamiklerini temsil eden bir gövdedir. Bu bağlamda, araştırmacılar gövde eklenerek genişletilmiş SLIP benzeri sistemleri stabilize etmek ve düzenlemek için çeşitli yöntemler ve algoritmalar geliştirmişlerdir. Bu kontrol şemalarından biri Sanal Pivot Noktası (VPP) kavramı olarak adlandırılır ve bu tezin odak noktalarından biridir. Bu tezde, VPP konseptinin kapsamlı bir analizini sunuyoruz. Koşu davranışı için bu konseptin periyodik çözümlerini sistematik olarak analiz ediyoruz. Sayısal analiz araçlarını kullanarak sistemin farklı durumları ve parametreleri için periyodik çözümler çıkarıyoruz. Ardından, enerji verimliliği ve kararlılık gibi metriklere göre periyodik çözümlerin özelliklerini kendi aralarında karşılaştırıyoruz. Son olarak, sistem dinamiklerini kararlı hale getirmek için yeni bir denetleyici geliştiriyoruz. Bu yeni denetleyiciyi, Sharbafi ve diğerleri (2013) tarafından sunulan bir denetleyicinin genişletilmiş bir versiyonu ile karşılaştırıyoruz. Her iki denetleyicinin etkinliğini gösteriyoruz ve önerilen denetleyicinin yakınsama hızı performansından ödün vermeden farklı periyodik çözümler için daha büyük bir çekim havuzu oluşturabileceğini gösteriyoruz. Sonuçta, bu tez, önerilen denetleyici ile birlikte VPP konseptinin, kayda değer üst vücut dinamikleri ile koşma davranışını hedefleyen bacaklı robotların tasarımında ve kontrolünde faydalı olabileceğini göstermektedir.