Sistema de control de equilibrio basado en dinámica simplificada para la fase de bipedestación estática del robot bípedo PROBIC de tamaño humano

Abstract

En este documento se presenta el sistema de control de equilibrio basado en dinámica simplificada para la fase de bipedestación estática, propuesta para el prototipo de robot bípedo de tamaño humano (PROBIC). Para esto, se realizó en primer lugar una definición de los principales conceptos relacionados con la robótica bípeda, seguida de una revisión del estado del arte. Se continuó con el diseño del robot bípedo PROBIC, partiendo de los parámetros necesarios para establecer las dimensiones adecuadas del robot, seguido del modelado de cada una de las piezas constitutivas del mismo, empleando un software CAD; adicionalmente, se elaboraron los diagramas eléctricos y el software necesario para la implementación del prototipo. Una vez finalizada esta fase, se procedió con el ensamblaje de la estructura mecánica del robot bípedo. Posteriormente, se abordó el modelo matemático del robot, a partir de los fundamentos maten áticos que sustentan los modelos cinemático y dinámico del robot, que proporcionan un análisis detallado de su comportamiento y, a su vez, permiten un control integral de sus movimientos. Después de la construcción de la estructura del robot y su electrónica, y el cálculo de los modelos matemáticos, se continuó con la formulación de la estrategia de control para la bipedestación estática del robot, y su implementación. Finalmente, se definió un plan de pruebas que permita evaluar el sistema de control de equilibrio diseñado, para una inclinación en la superficie de soporte.

Bipedal robots are complex systems that require sophisticated control algorithms to maintain balance. In this paper, we present a simplified dynamics-based balance control system for the static bipedal stance phase of a human-sized bipedal robot prototype. The system is based on a linear inverted pendulum model and uses a feedback controller to regulate the center of pressure of the robot. The system was designed and implemented using a modular approach. The first step was to define key concepts related to bipedal robotics. This was followed by a state-ofthe- art review of balance control algorithms for bipedal robots. The next step was to design the PROBIC bipedal robot prototype. This involved modeling each constituent part using CAD software and developing electrical diagrams and software for prototype implementation. Once the mechanical structure of the robot was assembled, the mathematical model of the robot was developed. This involved deriving the mathematical foundations underpinning the kinematic and dynamic models of the robot. The mathematical model was used to analyze the behavior of the robot and to design the control strategy. The control strategy was implemented using a feedback controller. The controller was designed to regulate the center of pressure of the robot such that it remains within a safe region. The controller was tested using a simulation environment and was found to be effective in maintaining balance. The results of this research demonstrate the feasibility of using a simplified dynamicsbased balance control system for the static bipedal stance phase of a human-sized bipedal robot prototype. The system is robust and can be implemented using a modular approach.