TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.1, Jan uary 20 14 , pp. 135 ~   140   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i1.3898            135     Re cei v ed  Jun e  15, 2013; Revi sed Aug u st  22, 2013; Accepted Sept em ber 12, 20 13   Resear ch on Tripod Gait of Bionic Hexapod Robot      Liu Ming-da n*, LV Xiao-rong, Qi Xiang-jun, Wei jiang-shu   T he Information & Engin eer in g T e chnolo g y   Coll eg e Sich ua n Agricu ltural  Univers i t y , 6 2 5 014   Sichu an Ya an, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : qxj @ sica u.ed u.cn       A b st r a ct   Based  on the  bio n ic the o ry a nd the a n a l y z e d  of  move me nt mec han is m fo r six-leg ged  in sect, the   princi pl e of trip od g a it  mov e ment  for w a lki n g  robot w a s a n a l y z e d   in this  pa per, an d b a sic  para m eters a n d   the pr inci ple  o f  relativ e   mov e ment th eory  on  gait r e sear ch w e re  discu ssed. T h e n  th e h e xap o d  w a l k i n g   robot w a s asse mb le d by usin g  the compon en t of F i scherte chnik. W i th the characters of s i mple c onn ecti ve   structure, un iq ue d e si gn, thi s  robot c an w a lk fo rw ard  an d backw ar d a nd ca avoi mi ni-b arrier. T h e   exper iment sh ow ed that this robot  has  goo d mo bil i ty and st abil i ty    Ke y w ords : bio n ic hex ap od ro bot, tripod g a it, mech an is m w i th four conn ecting ro d         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Bionic (bioni c tech nolo g y) is synth e siz ed by two  words, Biol ogy (Biology ) and   T e c h n o l og y ( t e c hn ica l ) .  R e s e ar ch  is  us ua lly b a s ed  on  the nature  science. In the past few yea r s,  resea r ch a r e a  ha s tou c h ed u pon  wa lking  or ru n n ing. Th us,  the ro bots  with le gs  ha ve  invented.  Such a walki ng  machi ne  can  wal k  on  bu mpy or  soft earth, even  cro s s ob sta c l e s,   stairs, ditche s, and  do  seri es of difficult mo vem e nts that  whe e ls  can’t d o This  rob o t ca n be  use d  in dan g e rou s  pla c such a s  nu cle a r po we r plan ts, coal mine s for rescu e  [1].  With the bi degree s of freedom fo r th e foot,  the bi onic  hexap od  wal k ing  rob o t  is more   flexible and a daptabl e on u neven g r ou nd . The touc h a r ea to the g r o und for th e h e xapod  wal k i ng  robot i s   discrete compa r e d  with th wheel  rob o ts  o r  tra c k robot s. Small co nta c t area  with t h e   grou nd, you can  cho o se the be st sup p o rting poi nt on the grou nd.  Even under  the con d ition  of  the surfa c e i s  very i r regu lar, Robot i s  also   abl e t o  wal k  f r eel y throug strict  sele ction  of  sup portin g  p o int. Walki n g  robot re se a r ch  ha s be come on e of the most attractive area s in   roboti cs. The  study for multi-legg ed walkin g rob o t with indep en dently driven  system is m o re  focu sed o n  the gait desi gn  [2] [3].  Wal k ing g a it is the way the  system to m o ve,  that is the order fo wal k ing  syste m  to lift  feet or p u t do wn feet.  Due  to the develo p ment n eed of wal k ing  ro bot, McG hee,  father of  rob o ts,   summ ari z ing  the re sults  on  previou s  research o n   ani mal gait, syst ematically p r ese n ts a  se ri es of  stri ct mathe m atical d e fini tion of description and  a nalysi s  of g a it.  After that, rese arch ers o f   variou s co unt ries  have got  many re sults  in the stable  gait cycle  rul e s for fou r  fe et, six feet, eight  feet and othe r multi-leg g e d  walki ng ma chin e re se a r ch. These results inclu de a  variety of ga it  cha r a c teri stics an d cla s sification,  su ch  as tria ngul ar  gait, wave ga it, free gait, tracking  gait, gait   para m eters a nd their  relati onship s . Ho wever the s e st udie s  are limited in theory  of gait analyses;  take no a ccount of spe c ific imple m entation.   Based o n  the prin ciple of  bioni cs a nd  the   comp one nt o f  Fisch er, a  wal k ing  Rob o t  with six  feet is asse mble d to impleme n t the theory  of  tripod gait.       2. Theor y  an d Design o f  Tripod Gait for Hex a pod  Bionic Rob o t   2.1. Mo v e ment Principle of Triangle  Gait          While " C la ss  Hexap o d s ” in se cts (co c kro a ch es  a nd a n t s, etc.) walki ng,  gene rally  not six  feet go forwa r d at same tim e , but go fo rward  altern at el y in form of th ree  pairs of f eet divided i n to   two g r oup s a nd form t r ian gular  su ppo rti ng st ru cture s .  The fro n t an d rea r  foot in  left side a nd t he  middle fo ot in  right  sid e  a r e  in a  gro up. T he fro n an d rear fo ot in  rig h t sid e  an d th e middl e foot  in  left side a r e i n  anoth e r g r o up. They co mposed two  triang ula r  su p porting  struct ure s  sepa rat e ly.  Whe n  all the  feet in one t r i angul ar  sup p o rting  stru ctu r e lifted  simul t aneou sly,  the feet in an other  triangul ar su p porting   struct ure ke ep still.  The  mi ddl e f eet in two  sid e s a r e  the  su pportin g  p o int  to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      ISSN: 2302-4 046             TELKOM NIKA  Vol. 12, No . 1, Janua ry 2014:  135 – 1 4 0   136 sup port th weig ht of in sect b ody. Th e front tibi muscle  co ntraction,  pull th e body fo rwa r d, at  the same tim e , the rea r  tibia mu scle  contra ction,  p u sh  the b ody  forward.  So  the bo dy slig htly  rotates  aroun d the middl e  feet, letting the ce nter of  inse ct wei g ht shift from  three feet in  a   triangul ar  su pportin g   stru cture  to a not her th re e fee t. And then  repeat th e m o ve pe riodi cally.  Becau s of weig ht cente r  always  withi n  triang ular  frame, this wal k ing  style ea sy let the insect  stop at anytime. This is a  typical triangl e gait. The waveform of the gait is  2 1 . Its  wal k ing path   is not straight  line but a zig z ag  curve to  move forward .   Movement di agra m  for He xapod ro bot u s ing trip od ga it is sho w n in  Figure 1. Fee t  that  touch the g r o und (see the  black box) fo rms a sta b le  triangul ar st ru cture. Such  kin d  of robot  woul d rem a in  stable walki n g postu re, not  easy to fell [4].          Figure 1. Trip od Gait of Ro bot      2.2. Assembl ed for Hexa p od Robo t Mike   Cra n k-a nd-ro cker m e chan ism is  set a s  si x feet for Hexapo d ro bot Mike. An d sma r t   interface boa rd 310 02 is set for controll er. The dr ivin g element co nsi s ts of two small DC mot o with red u cer. Lwin 3.0 software which de veloped  by company fisch e rtechni k is p r og ramm ed a nd  controlled.   The m a in p a rt of Fische creative mod e is ma de  of hi gh q uality nylon pla s tic,  wh ich  with   the quality of size p r e c isi o n, not easy to we a r , rep e a ted setu p a nd disassem bly but does  not  affect the a c curacy  of the  model. Th patented  de si gn for  part s  i s  dovetail  groove which can   achi eve part j o int in six-si d e . This uniq u e  des i gn  can achi eve  free combi nation or  expan ded.           Figure 2. The  Figure of rob o t Mike       The robot Mi ke  with six fe et is a s sembl ed by  the pa rts of Fische as  sho w n in  Figure 2.  The whole  structure for the  robot in clud e s  thre pa rts:  the mechani cal pa rt, the sensor p a rt an control pa rt. Mech ani cal p a rts a r e mainl y  compo s ed  of the frame, two dc moto rs, gear a nd worm  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046         Re sea r ch on  Tripo d  Gait of Bionic He xa pod Robot   (Q i Xiang-ju n)  137 drive,  six sets of  four-b ar  link  structu r e.  Wh en  the  DC m o tor is worki ng, th spur ge ar  whi c h   linked on the  motor  shaft will driv e the  worm-shaft rot a tion. Rotati on of  worm-shaft will drive t h three  worm -wheel s in one  side to rotate. Then drive t h e three fe et to move thus  the robot Mik e   goe s forward.  The foot of robot was d e signed a c co rdi ng to t he the o ry of four-ba r  link  stru ctu r e whi c h   calle d cran k-and-ro cker m e ch ani sm. Un der the a c tion  of the cran k, the gear  can  swi n g ba ck a n forth. Adjust the dista n ce from the frame  to the bo ttom of feet, in order that the move path of feet  of robot  wa ellipse wh en  cra n rotate.  Six cran ks were a s sem b le d for  six feet. Whe n  thre e feet  touch  the  ea rth, the  cra n k of a nothe r t h ree  feet   rot a ted 1 8 0 - deg ree. T hen  Mi ke  we nt  step  by  step, and fo rm stable trip o d  gait.     2.3. Tripod Gait Analy s is  for He xap od Robo t     For the  rob o t Mike, u s e tri pod g a it to a c hieve  static  wal k ing. As  shown in Fig u re 3. The   1, 4, 5 feet is a gro up. The  2,  3, 6 feet is anothe r grou p. The  two g r oup s  did  coo r dinated m o tio n The  weig ht shifted from  th e re set  state  of 2, 3, 6  fe et  to initial  state of 1,  4, 5 f eet (a ). Th e f i rst  motion is the  swi ngin g  feet lifted and mo ve forwa r d “o ne step ” (b ).T hen it becam e  the sup porti ng   feet and  su pp orted th e b o d y  to move on e ste p (c). After that, an othe r g r oup  of  swi nging fe et we nt  forwa r d  (d), t hen  be cam e   sup portin g  fe et to move  b o dy (e). F r o m  the  diag ra we  see  th at  the  locu s of the  feet on x y plane i s  alm o st irreg u lar.  The lo cu s o f  the feet sh ould b e  a  cu rve   becau se the  knee joi n t is fixed when hip joi n is swi ng. But it’s not contradi ctory to     Figure 1.Be cause in  p r o c ess of  movin g , the tri angl e gait  is not  deform a ti on and wei ght center  alway s  within  supp orting tri angul ar fram e and therefo r e it’s also sta b le.      Figure 3. Tria ngle gait of ro bot Mike       Suppo sed  we ight supp ortin g  tria ngle  is  A ,, (x a,y a ) B (x b,y b  ) C (xc,yc) in  coo r di nate  system.  The weight  center of robot  Mike lo cated  at orig in of t he co ordinate .  When Mi ke  moves o ne  step  to the left, the wei ght center will move along x-axis , also  within  the triangl e. So it’s a stable  tripod  gait. T he Mi ke’ s  m o ving is al so  coo r di nated  becau s wei ght su ppo rtin g trian g le i s   not  deform ed wh en moving [5].                                   Figure 4. Coo r dinate a naly z e for tria ngle  gait  A B C O X Y L 1 A′   B′   C′   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      ISSN: 2302-4 046             TELKOM NIKA  Vol. 12, No . 1, Janua ry 2014:  135 – 1 4 0   138 2.4. Kinematics Analy s is   Whe n  the  wa lking  ro bot  we de sig ned  u s ed  trip od  gai t, the thre e le gs i n  the   sam e  g r ou did the  same  moveme nt a t  anytime. Th en the  three  leg s   can  b e  equival ent t o  on e le g. T he  model is a nal yzed a s  figure belo w         Figure 5. Kinematics analy s is fo r model       In order to facilitate the analysis it a s sumes th at the body qualit y of the robot  focus  on   one sid e  of the leg, and the mass of leg is negli g ib le. M is the drive torque  which a c ted on  the   wal k ing rob o t.  F x  and F y  ar e the re active  force  whi c acted  by the  grou nd. G i s  the a c celeration   of gravity. L i s  the l ength  o f  one le g.  is t he an gle fo rmed by the  suppo rting le and h o ri zonta l   dire ction. Formulation can  be written a s   [6]-[8]:    M L F F L mg F y m F x m y x y x cos sin ' ' ..     Where    sin cos L y L x     Substitute x and y then  si mplify, mathematics  ex pre ssi on for  moti on mod e l of robot can b e  get  [7]:     mg mL mL M Fy Fx mL mL L L . 2 . 2 .. sin cos 1 0 cos 0 1 sin cos sin 1     2.5. Contr o l Program of  Hex a pod  Ro bot    Rob o t shoul d  be  program med in  o r de r to move.  LL Win3.0  of Fi sche r i s  th e g r aphi cal  prog ram m ing   software, ca a c hieve rea l -time c ontrol  and e a sy to  u s e. Th e la dde r p r og ram  wa use d  wh en in telligent interf ace b oard 31 002 was a ppl ied.18 ki nd s of function m odule s  were i n   the softwa r e  packag e , can be p r og rammed in a n y combi nation. It is gra phical displa y and  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046         Re sea r ch on  Tripo d  Gait of Bionic He xa pod Robot   (Q i Xiang-ju n)  139 automatic  co nne ction in  compute r . We  use the  digit a l cont rol mo del E1 an d E2 to cont rol t he  feet to wal k Limit switch  E8 wa s u s e d  as  a re set switch. Po we r of motor E2  wa s suppli e d  by  VAR2.The m o tor M1 woul d stop while l i mited swit ch  switched o n . Motor M2 would sto p  wh en   swit ch E2 swi t ched o n . The  prog ram was sho w n a s  Figure 6 [9].           Figure 6. Con t rolling p r og ra mmed of Ro b o t Mike [9].       3. Parameter  Descrip tion s for Gait o f   Hex a pod  Ro bot    McG hee,  wh o is the  fathe r  of robot, de fines the  pa rameter i n  the  motion  su ch  as  step  length supp orting factor a n d  the pha se i n itially,  suppo sed that any  gait can b e  d e scrib ed by lag   in pha se  of e a ch fo ot’s m o tion and  wei g ht sup p o r ti ng  factor  of ea ch  foot, whi c h p r ovide th e ma th   foundatio n for gait research. Hexapod robot gait is  the seq uen ce  of feet’s up  and do wn in the   workin syste m . The fe et o f  wal k ing  ro b o t ca n b e   se en a s  t w sta t e com pon ent s. The  tra n sf er   pha se  of the  feet i s  the  p e riod  of l eavi ng the  g r ou n d , whi c h  p r o g ramm ed  a s  1. T he  su pp ort  pha se  of the  feet is th pe riod  of tou c hi ng th e  g r ou n d  an com p e lling the  bo dy forward, whi c prog ram m ed   as  0. Th period g a it T i s  time for o ne f oot finish  all t he m o tion i n   one  cycl e. Th perio d gait mean s all feet spe n t the sa me time  in the motion cycl e and ea ch fo ot’s motion p e riod  doe n o t cha nge as  time   is cha ngin g . Duty  facto r   i s  the time  p r o portion  that  o ne feet  supp o r ting  weig ht on the  groun d in wh ole motion pe riod [9]-[14].       4. Experimental Re sults  and An aly s is   The functions of hexapod  robot  for go forward,  go  backward, turn t o   left; turn to  right  and avoi d the  obsta cle  had  been te sted.  The result  shows that the  robot  wal k smoothly a n d   can cro s s the small barrie r . When the shield in  the front of the robot touch the  big obsta cle,  the limited switch turn on,  give the robot a cont rol  si gnal then rob o t will avoid the ob stacle. In   order to prev ent the trip  when the model turn l e ft, the left foot of  the  robot step sm all pace  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      ISSN: 2302-4 046             TELKOM NIKA  Vol. 12, No . 1, Janua ry 2014:  135 – 1 4 0   140 then the righ t foot step a big pace. Then t he ro bo t would turn  and the trip od gait wa controlled  wel l  by program.  But if  the rob o t walks for a  long distan ce,  it will emerge the uncoo rdinate d  gait. This  phen omen on  is due to the motion was  realized by  linkag e  mechan ism, whi c h h a ve mech ani and ele c tri c  d i fferences, ca n’t maintain the wal k ing p hase of left and right foot same in  whol pro c e ss.  Wh en the  differences a c cum u late u p  to  some  deg ree,  the u n coo r di nated  gait  wi ll  emerge [10].        5. Conclusio n   On the  ba sis  of the bio n ics prin cipl e, the  tripod  gait p r incipl e of the   hexapo d rob o t and   stability wa analyzed in t h is the s i s . Th e hexap od  ro bot wa s a s se mbled by Fi sche r pa ckag e  and   prog ram m ed  on compute r .  After that the experi m ent  wa s do ne. T he rel a tion shi p  between th gait para m et er and th e ro bot wa s de scribed in the o ry . The result  sho w s that the robot  can  walk  in stri ct acco rdan ce  with tripod  gait, re alize t he fu n c tion of movi ng straight, turnin g, avoidi ng  barrier, an d h a ve good mo bility and stab ility.      Ackn o w l e dg ements   Found ation  item: Supp ort ed by  the  National  Natu ral Sci e n c F ound ation  of Chi na  (511 052 61)      Referen ces   [1]    Xu- X io yu n, Y a n-Guozh e n g Ding-G uoq in g. T he re se arch  on  b i on ic  he xapo d r obot  an d trip od  ga it.   Optics and Pre c ision E ngi ne e r ing . 20 02; 10( 4): 392-3 96.   [2]    F ang-Ji anj un, chen- Haife ng, zhou-F e ng.  Int e lli ge nt to y R obot b a se d o n  PIC SCM c ontrol.  Ro bo T e chni que and   Applic ation . 2 003; (1): 37-3 9 .   [3]    Che n -Do n g hui,  tong-Ji n, li-C h ong hu an. T he gait of h u ma and  anim a an w a lkin g ro bo t.  Journal of   Jilin U n iv ersity .  2003; 33: 12 2 - 124.   [4]    Lia o -Yul an, W eng-S h a o ji e, Y an-Guo jin. T he d e si g n  of fo ot tracin g h e x apo d ro bot a n d  pro ducti on.   Servo contro l . 200 9; (04).  [5]    Han-Ji an hai,  Z hao-Sh ush a n g , Li-Jishu n. Coor di n a ted c ontrol of  w a lk i ng ga it for hexap od rob o t.  Mecha n ica l  an d electric al en g i ne erin g . 200 4; 21:  8-10.  [6]    Lei-Y ongf eng,  Lu-Bo yo u, Sun - Lili. T he Rese arch on  bio n ic  he xa po d rob o t base d  on A R M .   Inform atio of microc o m p u t er . 2008: (11).   [7]    Han-Ji an hai, Z hao-S hus han g, W ang-Baoz en g.  Manufactur e  of hexap od  robot bas ed o n  PIC SCM   control.  Ro bot T e chni que  and  Applic ation . 2 003; 6: 29- 32.   [8]    F eng-W e i, Ya ng- ya ng. R e se arch a nd  impl ement ati on  of gait of  he xa pod  bi onic r o bot of fisch er .   Machi ne Des i g n  and R e se arc h . 2005; 3: 35- 37.   [9]    LL W i n 3.0 o p e r ation ma nu al, fischertech nik  German comp an y.   [10]   Cai-Z i xi ng. Ro botics. Beij i ng,  T s inghua Un iv ersit y  Press, 2 000.   [11]    John J Cr aig. I n troducti on to  Rob o ts Mecha n ics an d Co ntr o l. Stanford  Un iversit y  Add i so n W e sle y  Inc.   200 5.  [12]   Spon g W ,  Vid y sagar M. Rob o t  d y n a mics  an d  control. UK: John W i l e y  & S ons, Inc. 1989.   [13]   João L o b a to Oliveira, L u is Pa ulo R e is, Brigi d Monic a  F a ria ,  F abien Gou y on. An Empiric  Evalu a tion  o f   a Re al-T ime Rob o t Danc in g F r ame w ork  base d  on M u lt i-Moda l Eve n ts.  T E LKOMNIKA Indon esi a n   Journ a l of Elec trical Eng i ne eri n g . 201 2; 10(8) : 1917-1 9 2 8 [14]   Pang-T ao,  Ru an- Xi aog an g, W ang-Ersh en,  F an-Rui y u an.  Based o n  A* and Q-Le arn i n g  Search a n d   Rescu e R obot  Navi gati on.  T E LKOMNIKA Indo nesi an J o u r nal  of Electric al En gi neer in g . 201 2; 1 0 (7 ) :   188 9-18 96.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.