A reactive leg placement strategy for balance control in walking

Dynamic balance depends on proper foot placement in legged locomotion and corresponding placement strategies have mainly been developed using the linear inverted pendulum model as theoretical framework. While this model can identify single leg strategies for balance control, it does not consider the double support that is common to bipedal locomotion, indicating that current strategies do not fully exploit the theoretical potential of balance control in bipedal systems. Here we extend the linear inverted pendulum model to a bipedal system which includes double support dynamics, and derive a reactive balance controller based on foot placement and double stance length. We show that this controller enables the model to stand and walk at user-defined target speeds, to transition between these behaviors by acceleration and deceleration, and to react to intermittent disturbances and compensate for permanent ones, as long as they are compatible with the swing leg dynamics placing the feet. Finally, we discuss how the versatility of this balance controller depends on including double support and suggest further steps to improve dynamic balance control in bipedal systems.

Per i sistemi che si spostano utilizzando gambe, la capacità di bilanciarsi attivamente dipende dal corretto posizionamento dei piedi sul terreno. Le principali strategie volte a guidare la scelta dei passi necessari al mantenimento dell'equilibrio basano il loro approccio sul "Linear Inverted Pendulum Model" (LIPM). Questo modello è in grado di descrivere il comportamento di un bipede con una sola gamba a contatto con il terreno. Esso tuttavia trascura la porzione di camminata durante la quale entrambe i piedi poggiano a terra. Questa forte semplificazione indica come tali strategie non siano in grado di sfruttare completamente il potenziale teorico di controllo dell'equilibrio di un bipede. In questo studio, il LIPM è stato esteso includendo anche una esplicita modellazione della dinamica del sistema bipede quando entrambi i piedi sono a contatto con il terreno. E' stato inoltre ricavato un algoritmo per il controllo dell'equilibrio in grado di guidare il posizionamento dei piedi e la durata della fase in cui entrambi poggiano a terra. Viene successivamente mostrato come questo algoritmo permetta al modello di bipede di fermarsi, di camminare alla velocità desiderata, di passare da un movimento all'altro tramite accelerazioni e decelerazioni, e di reagire a perturbazioni sia temporanee sia permanenti, purché compatibili con la dinamica di posizionamento del passo successivo (propria della gamba in movimento). Infine, viene mostrato come la versatilità di questo algoritmo di controllo dell'equilibrio dipenda dall'inclusione della fase in cui entrambe le gambe poggiano sul suolo, e vengono prospettate direzioni di studio future per migliorare la capacità di bilanciamento dei sistemi bipedi.