This paper proposes fault tolerant gaits of a quadruped robot with feet of flat shape. Fault tolerant gaits make it possible for a legged robot to continue static walking against a leg failure. In the previous researches, it was assumed that a legged robot had feet that have point contact with the surface. When the robot is endowed with feet having flat shape, fault tolerant gaits can show better performance compared with the former gaits, especially in terms of the stride length and gait stability. In this paper, fault tolerant gaits of a quadruped robot against a locked joint failure are addressed in straight-line motion and crab walking, respectively.
A strategy for fault-tolerant gaits of autonomous legged robots is proposed. A legged robot is considered to be fault tolerant with respect to a given failure if it is guaranteed to be capable of walking maintaining its static stability after the occurrence of the failure. The failure concerned in this paper is a locked joint failure for which a joint in a leg cannot move and is locked in place. If a failed joint is locked, the workspace of the resulting leg is constrained, but legged robots have fault tolerance capability to continue static walking. An algorithm for generating fault-tolerant gaits is described and, especially, periodic gaits are presented for forward walking of a hexapod robot with a locked joint failure. The leg sequence and the formula of the stride length are analytically driven based on gait study and robot kinematics. The transition procedure from a normal gait to the proposed fault-tolerant gait is shown to demonstrate the applicability of the proposed scheme.
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.
This paper proposes a novel fault-tolerant gait for Quadruped robots using energy stability margins. The previously developed fault-tolerant gaits for quadruped robots have a drawback of having marginal stability margin, which may lead to tumbling. In the process of tumbling, the potential energy of the center of gravity goes through a maximum. The larger the difference between the potential energy of the center of gravity of the initial position and that of this maximum, the less the robot tumbles. Hence this difference of potential energy, dubbed as Energy Stability Margin (ESM), can be regarded as the stability margin. In this paper, a novel fault-tolerant gait is presented which gives positive ESM to a quadruped robot suffering from a locked joint failure. Positive ESM is obtained by adjusting foot positions between leg swing sequences. The advantage of the proposed fault-tolerant gait is demonstrated in a case study where a quadruped robot with a failed leg walks on a even slope.
Fault-tolerant gait generation of a hexapod robot with crab walking is proposed. 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. Due to the reduced workspace of a failed leg, fault-tolerant crab walking has a limitation in the range of heading direction. In this paper, an accessible range of the crab angle is derived for a given configuration of the failed leg and, based on the principles of fault-tolerant gait planning, periodic crab gaits are proposed in which a hexapod robot realizes crab walking after a locked joint failure, having a reasonable stride length and stability margin. The proposed crab walking is then applied to path planning on uneven terrain with positive obstacles. i.e., protruded obstacles which legged robots cannot cross over but have to take a roundabout route to avoid. The robot trajectory should be generated such that the crab angle does not exceed the restricted range caused by a locked joint failure.
A fault-tolerant gait of multi-legged robots with static walking is a gait which can maintain gait stability and continue its walking against an occurrence of a leg failure. This paper proposes fault-tolerant gait planning of a quadruped robot walking over a rough planar 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. In this Paper, two-phase discontinuous gaits are presented as a new fault-tolerant gait for quadruped robots suffering from a locked joint failure. By comparing with previously developed one-phase discontinuous gaits, it is shown that the proposed gait has great advantages in gait performance such as the stride length and terrain adaptability. Based on the two-phase discontinuous gait, quasi follow-the-leader(FTL) gaits are constructed which enable a quadruped robot to traverse two-dimensional rough terrain after an occurrence of a locked joint failure. During walking, two front legs undergo the foot adjustment procedure for avoiding stepping on forbidden areas. The Proposed wait planning is verified by using computer graphics simulations.
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.
In this paper, an algorithm of fault tolerant gaits for a quadruped robot is proposed for the purpose of tolerating a locked joint failure. The robot can continue its walking after a locked failure occurs to a joint of a leg by the proposed algorithm. In particular, a periodic gait is proposed as a special form of the proposed algorithm and its existence and efficiency are analytically proven.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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