Influence of leg elasticity on the locomotion behaviour of a quadrupedal robot

Different quadrupedal template models with fixed parameters have been introduced to facilitate the analysis of limit-cycle motions for this type of locomotion. However, biology shows that animals use a leg stiffness that changes with the locomotion velocity, and other studies show that the stability of the gait is dictated by the parameters choice. The research question of this thesis is: How does variable leg elasticity influences the stability of a quadrupedal gait? To answer that question, a detailed characterization of the emerging gaits from a model with compliant legs and shoulder joints represented as torsional springs is carried out. This model can be used to characterize the most common quadrupedal gaits observed in nature. A detailed analysis of the stability, which helps to understand the influence of perturbations on the locomotion, is performed for the obtained gaits. Furthermore, a parametric optimization has been implemented to search for the system parameters that guarantee maximum gait stability. The analysis shows that the adoption of a leg stiffness that increases with the speed of locomotion, together with the highest feasible leg swing frequency, noticeably increases the gait stability over a wide range of horizontal velocities while reducing the oscillations of the trunk. This insight can be applied in the design of novel elastic quadrupedal robots, where constant stiffness actuators could be replaced with variable stiffness actuators to improve the overall locomotion behavior.

Diversi modelli quadrupedi aventi parametri costanti sono stati introdotti per semplificare l’analisi dei moti periodici per tale tipologia di locomozione. Tuttavia, in biologia è stato osservato come gli animali adottino una rigidezza delle gambe variabile con la velocità di locomozione. Ulteriori studi mostrano che la stabilità della locomozione è regolata dalla scelta dai parametri del modello. La domanda di ricerca della tesi è: Come influisce l’elasticità delle gambe sulla stabilita di locomozione? Per rispondere a tale domanda è stata svolta un’analisi dei gait emergenti da un modello quadrupede con anca e gambe elastiche. Tramite l’utilizzo di tale modello è possibile caratterizzare i gait più comunemente osservati in natura. Una dettagliata analisi di stabilità è stata svolta sui gait scoperti per caratterizzare l’influenza di eventuali perturbazioni. Inoltre, è stata svolta un ottimizzazione volta alla ricerca dei parametri che garantissero la stabilità ottimale. L’analisi ha dimostrato che l’incremento della rigidezza delle gambe con la velocità orizzontale assieme alla massima frequenza di oscillazione ammissibile, sia in grado di aumentare notevolmente la stabilità di locomozione in un vasto range di velocità, riducendo al contempo le oscillazioni del tronco. Tale risultato può essere utilizzato nella realizzazione di una nuova generazione di robot quadrupedi elastici sostituendo gli attuatori a rigidezza costante con attuatori a rigidezza variabile.