Fault-tolerant gait planning in legged locomotion is to design gaits with which legged robots can maintain static stability and motion continuity against a failure in a leg. For planning a robust and deadlock-free fault-tolerant gait, kinematic constraints caused by a failed leg should be closely examined with respect to remaining mobility of the leg. In this paper, based on the authors's previous results, deadlock avoidance scheme for fault-tolerant gait planning is proposed for a hexapod robot walking over even terrain. The considered fault is a locked joint failure, which prevents a joint of a leg from moving and makes it locked in a known position. It is shown that for guaranteeing the existence of the previously proposed fault-tolerant tripod gait of a hexapod robot, the configuration of the failed leg must be within a range of kinematic constraints. Then, for coping with failure situations where the existence condition is not satisfied, the previous fault-tolerant tripod gait is improved by including the adjustment of the foot trajectory. The foot trajectory adjustment procedure is analytically derived to show that it can help the fault-tolerant gait avoid deadlock resulting from the kinematic constraint and does not make any harmful effect on gait mobility. The post-failure walking problem of a hexapod robot with the normal tripod gait is addressed as a case study to show the effectiveness of the proposed scheme.
Fault-tolerance is an important design criterion for robotic systems operating in hazardous or remote environments. This paper addresses the issue of tolerating a locked joint failure in gait planning for hexapod walking machines which have symmetric structures and legs in the form of an articulated arm with three revolute joints. A locked joint failure is one for which a joint cannot move and is locked in place. If a failed joint is locked, the workspace of the resulting leg is constrained, but hexapod walking machines have the ability to continue static walking. A strategy of fault-tolerant tripod gait is proposed and, as a specific form, a periodic tripod gait is presented in which hexapod walking machines have the maximum stride length after a locked failure. The adjustment procedure from a normal gait to the proposed fault-tolerant gait is shown to demonstrate the applicability of the proposed scheme.
A hexapod walking robot had been developed for gathering information in the field. The developed robot was $260{\times}260{\times}130$ ($W{\times}L{\times}H$, mm) in size and 14.7 N in weight. The legs had nineteen degrees of freedom. A leg has three rotational joints actuated by small servomotors. Two servomotors placed at ankle and knee played the roles of vertical joint for up and down motions of the leg and the other one placed at coxa played the role of horizontal joint for forward and backward motions. In addition, a servomotor placed at thorax between the front legs and the middle legs played the role of vertical joint for pumping the two front legs to climb stair or inclination. Walking motion of the robot was executed by tripod gait. The robot was controlled by manual remote-controller communicated by an infrared ray. Two controllers were equipped to control the walking of the robot. The sub-controller using PIC microcomputer (Microchips, PIC16F84A) received the 16 bit command signal from the manual remote controller, decoded it to 8bit and transmitted it to the main microcomputer (RENESAS, SH2/7045), which controlled the 19 servomotors using the PWM command signals. Walking speeds were controlled by adjusting the period of command cycle and the stride. Forward walking speed were within 100 cm/min to 300 cm/min. However, experimental walking speed had the error of 4-40 cm/min to compare with the theoretical one, because of slippage of the leg and the circular arc motion of servomotor of coxa.
본 논문에서는 육족 보행 로봇의 새로운 힘 분배 알고리듬을 제안한다. 본 논문에서 고려하는 육족 보행 로봇은 다리 하나에 관절고착고장이 발생하여 내고장성 정적 세다리 걸음새로 보행한다. 제안되는 힘 분배 알고리듬의 핵심은 내고장성 걸음새가 가지는 안정여유도를 결정하는 지지 다리의 미끄러짐을 최소화시키는 것이다. 불연속적으로 움직이는 내고장성 세다리 걸음새는 정상 걸음새보다 안정도가 떨어진다는 약점이 있다. 본 논문에서 제안하는 힘 분배 알고리듬은 이러한 약점을 고려하여 내고장성 걸음새의 지지 다리가 세 개라는 성질과 Zero-Interaction Force 원리를 이용하여 최적화 기법을 쓰지 않고 대수적으로 모든 다리의 힘 성분을 구한다. 컴퓨터 시뮬레이션 사례 연구를 통해서 제안된 힘 분배 알고리듬과 기존 방법의 비교 분석을 실시하고 제안된 방법의 효용성을 입증한다.
본 논문에서는 비평탄 지형을 보행하기 위한 육족 보행 로봇의 내고장성 걸음새 계획을 제안한다. 본 논문에서 고려하고 있는 고장은 관절고착고장으로 로봇 다리의 관절 하나가 어떤 위치에 고착되어서 보행이 끝날 때까지 움직일 수 없는 상태를 말한다. 기존에 제안되었던 평탄 지형 보행을 위한 내고장성 세다리 걸음새 계획을 바탕으로 본 논문에서는 육족 보행 로봇이 관절고착고장이 발생한 후에도 이차원 착지 불가능 영역이 존재하는 비평탄 지형을 걸을 수 있도록 하는 내고장성 FTL(Follow-The-Leader) 걸음새를 구현한다. 제안된 FTL 걸음새는 고장 난 다리의 착지점에서 로봇이 가질 수 있는 최대한의 보폭을 낼 수 있으며, 기존 내고장성 걸음새보다 착지 불가능 영역을 뛰어넘는 능력이 더 우수하다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 제안된 FTL 걸음새의 응용가능성을 검증한다.
Milli-scale crawling robots have been widely studied due to their maneuverability in confined spaces. For successful crawling, the crawling robots basically required to fulfill alternating gait with elliptical foot trajectory. The alternating gait with elliptical foot trajectory normally generates both forward and upward motion. The upward motion makes the aerial phase and during the aerial phase, the forward motion enables the crawling robots to proceed. This simultaneous forward and upward motion finally results in fast crawling speed. In this paper, we propose a novel alternating mechanism to make a crab-inspired eight-legged crawling robot. The key design strategy is an alternating mechanism based on double four-bar linkages. Crab-like robots normally employs gear-chain drive to make the opposite phase between neighboring legs. To use the gear-chain drive to this milli-scale robot system, however, is not easy because of heavy weight and mechanism complexity. To solve the issue, the double-four bar linkages has been invented to generate the oaring motion for transmitting the equal motion in the opposite phase. Thanks to the proposed mechanism, the robot crawls just like the real crab with the crawling speed of 0.57 m/s.
A small and lightweight crawling robots have been actively studied thanks to their outstanding mobility and maneuverability. Those robots can navigate into more confined spaces that larger robots are unable to reach or enter such as debris and caves. In this paper, we propose a milli-scale hexapedal robot based on planar linkage design. To make this possible, two necessary conditions for successful crawling are satisfied: thrust force from the ground and aerial phase while running. These conditions are achieved through a newly developed leg design. The robot has a pair of legs and each leg has three feet. Those feet alternatively moves based on 1DOF planar linkage. This linkage is installed at each side of the robot and finally the robot shows the alternating gait and aerial phase during running. As a result, the robot runs with the crawling speed of 0.9 m/s.
Inspired by small insects, which perform rapid and stable locomotion based on body softness and tripod gait, various milli-scale six-legged crawling robots were developed to move rapidly in harsh environment. In particular, cockroach's leg compliance was resembled to enhance the locomotion performance of the crawling robots. In this paper, we investigated the effects of changing leg compliance for the locomotion performance of the small light weight legged crawling robot under various payload condition. First, we developed robust milli-scale six-leg crawling robot which actuated by one motor and fabricated in SCM method with light and soft material. Using this robot platform, we measured the running velocity of the robot depending on the leg stiffness and payload. In result, there was optimal range of the leg stiffness enhancing the locomotion ability at each payload condition in the experiment. It suggests that the performance of the crawling robot can be improved by adjusting stiffness of the legs in given payload condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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