Effet du balancement des bras sur la consommation énergétique durant la marche d’un robot bipède

Arms swing effects on energy consumption during walking of a biped robot

• Auteur / Autrice : Bassel Kaddar
• Direction : Yannick Aoustin, Christine Chevallereau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique et robotique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots -- Cinématique

Robots humanoïdes

Planification

Robots -- Mouvements

Mots clés libres

Optimisation de trajectoire

Balancement des bras

Résumé

Dans la marche humaine, il est supposé que les bras ont un mouvement passif qui diminue la consommation énergétique de la marche. La question abordée dans ce travail est le rôle des bras pour la marche d’un robot humanoïde. L’étude a deux objectifs : vérifier l’effet des bras sur l’énergie consommée durant la marche, et vérifier si le mouvement optimal des bras est passif. Nous avons d’abord défini par optimisations paramétriques des marches cycliques optimales pour un robot bipède évoluant en 2D. Différentes évolutions des bras ont été envisagées : bras attachés au tronc, bras constitués d’un ou 2 corps actionnés solidaires du tronc ou ayant un mouvement libre et bras passifs. Différentes marches plus ou moins complexes ont été abordées. La comparaison de nos résultats pour différentes vitesses de marche a montré l’intérêt d’un mouvement actif des bras. L’énergie fournie dans les articulations des bras permet de réduire la consommation énergétique globale principalement à des vitesses de marche élevées pour les différentes allures envisagées. Un mouvement passif des bras aura une grande amplitude quand la fréquence naturelle des bras coïncide avec la fréquence de la marche. L’ajout de ressorts au niveau des épaules permet d’ajuster la fréquence naturelle des bras à celle de la marche, mais malgré tout concernant la consommation énergétique des bras actifs sont plus efficaces que des bras passifs. Une étude en 3D des marches du robot a ensuite permis de confirmer l’intérêt sur la consommation énergétique de l’actionnement des bras. Ces tests ont aussi mis en évidence le moindre coût d’une marche avec un mouvement des bras normal par rapport à un mouvement anti-normal.

In human walking, it is assumed that the arms have a passive movement which reduces the energy consumption of walking. The issue addressed in this work is the role of arms on the walking of a humanoid robot. The study has two objectives: to verify the effect of arms on the energy consumption during walking, and whether the optimal movement of the arms is passive. Firstly, by a parametric optimization, we defined optimal cyclic gaits for a biped robot moving in 2D. Different evolutions of arms were considered: arms attached to the trunk, arms consist of one-link or two links held to the trunk or having a free motion and passive arms. Different gaits, more or less complex, have been studied. The comparison of our results for different walking speeds showed the importance of active movement of the arms. The energy supplied in the joints of arms allows reducing the global energy consumption especially for high walking speeds. A passive movement of the arms will have large amplitude when the natural frequency of the arm coincides with the frequency of walking gait. Adding springs at the shoulders allows adjusting the natural frequency of the arms to that of walking gait. However, the energy consumption of active arms remains more effective than that of passive arms. A 3D study of bipedal walking was then used to confirm the interest of arms actuation in the minimization of energy consumption. These tests show that walking with a normal arms swinging has lower cost with respect to anti-normal arms swinging.