Modelamiento dinámico en 3D y diseño de observador para un caminador bípedo pasivo
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La caminata pasiva hace referencia a un grupo particular de mecanismos capaces de caminar de forma estable bajo pendientes levemente inclinadas con solo la acción de la gravedad. Gran parte de la investigación en este tipo de mecanismos se basan en el modelo planar de compás que incluye grandes simplificaciones respecto a los prototipos construidos, además de presentar problemas de estabilidad. Esta tesis presenta el modelamiento dinámico en 3D de un prototipo real de caminador bípedo pasivo. Se incluye la derivación de las ecuaciones de movimiento mediante el método de Lagrange con modelo de contacto continuo y validación computacional de los resultados. Adicionalmente, se encuentra el ciclo límite de caminata para el bípedo bajo condiciones iniciales típicas de velocidad cero. Por último, se diseña un observador de estado no lineal para el bípedo, para esto se propone un algoritmo nuevo en este campo, llamado Ensemble Kalman Filter (EnKF) que permite eliminar la divergencia asociada al algoritmo clásico EKF. El filtro propuesto es implementado de forma computacional en Simmechanics con sensores inerciales virtuales tipo MEMS.
Resumen
The passive dynamic walking refers to a kind of mechanisms which can walk downhill using only the action of gravity. Most work about this topic is based on the planar compass model which has several simplifications and stability issues. In this thesis, we present a robust dynamic formulation for a real passive walker which includes a 3D rigorous derivation and solution of equations of motion. Limit cycle behavior of 3D biped walker is demonstrated for a given initial condition (zero velocity initial condition). Finally, we present a novel nonlinear state estimator based on Ensemble Kalman Filter (EnKF) to overcome the divergence related to the classical Hybrid Extended Kalman Filter (EKF). The observer was implemented with the dynamical model of the biped and validated on software Simmechanics.
