I n t e r n at i on al  Jou r n al  of   R o bo t i c s  a nd A ut o m a t i o n   ( I J RA )   V o l.   4 ,   No .   1 M ar ch   2 01 5 ,   p p.   19 ~ 30   I SSN :   2089 - 4856           19       Jou r n al  h om e p age ht t p: / / i ae s j our nal . c om / onl in e /in d e x . p h p /I J R A   O nline   B iped   W a l k ing   P a t t er G ene ra t io n w it C o nt a ct   C o ns is t ency       H o u  Wenqi * ,  J ia n W a ng * ,  J i a nw e n W a ng * a nd H o ng x u M a *     C ol l e g e   of   M e c ha t r oni c   E ng i ne e r i ng   a nd  A ut om a t i on,   N a t i ona l   U ni v e r s i t y   o f   D e f e ns e   T e c hnol og y         A rt i cl e I n f o     AB S T RAC T   A r tic le  h is to r y :   R ecei v ed   Apr 24 ,   201 4 R e v i s e Oct  20,   201 4 A ccep t ed   Nov   1 6 ,   201 4       I t hi s   pa pe r ,   a   n ov e l   on l i ne   bi p e w a l k i ng   g a i t   pa t t e r g e ne r a t i ng   m e t hod   w i t h   co n t act   co n s i s t en cy   i s   p r o p o s ed .   G en er al l y ,   i t s   d es i r ab l t h at   t h er i s   n o   f oot - g r oun s l i ppi ng   dur i ng   bi pe w a l k i ng .   B y   t r e a t i ng   t he   hi of   t he   bi pe r o b o t   as   l i n ear   i n v er t e pe nd ul um   ( L I P ) ,   a   f oot   pl a c e m e nt   c ont r ol l e r   t ha t   t a k e s   t he   c ont a c t   c ons i s t e nc y   i nt o   a c c ount   i s   pr o pos e t t r a c k i ng   t he   de s i r e o r b i t   en er g y .   B y   s el ect i n g   t h h i p s   h o r i zo n t al   l o co m o t i o n   as   t h e   p ar am et er ,   t h t r aj ect o r i es   i n   t as k   s p ace  f o r   w al k i n g   ar pl a nne d.   A   t a s k   s pa c e   c ont r ol l e r   w ith o u c a lc u la ti n g   t h e   i n v e r s io n   o f   in e r tia l   m a tr ix   is   p r e s e n te d .   S im u la tio n   ex p er i m en t s   ar i m p l e m en t ed   o n   a v i r t u al   5 - l i nk   p oi nt   f oot   b i pe r obo t .   T he   r es u l t s   s h o w   t h ef f ect i v en es s   o f   t h w al k i n g   p at t er n   g en er at i n g   m et h od  w h i ch   can   r eal i ze  a s t ab l e   p er i o d i g ai t   cy cl w i t h o u t   s l i p p i n g   a n d   f al l i n g   e v e s uf f e r i ng   a   s udde d i s t ur ba n c e .   Ke y wo rd :   G a it  p a tte r n   g e n e r a tio n   C o n ta c c o n s is te n c y   B i pe r obot   P oi n t   f oot   O r b it  e n e r g y   T as k   s p ace  co n t r o l l er     C opy r i g ht   ©  201 5  I ns t i t ut e   of  A dv anc e d E ngi ne e r i ng  a nd  Sc i e nc e   A l l  ri g h t s re se rv e d .   Co rre sp o n d i n g  Au t h o r :   W e n qi   H ou     C o l l e ge   o f   M e c ha t r o ni c   E n gi n e e r i ng  a nd   A ut o m a t i o n,     N at i o n al   U n i v er s i t y   o f   D e f en s T ech n o l o g y   D e ya   Ro a d   109# C ha ng s ha C hi na .   E m a il:  h ouw nq@ 126. c o m       1.   IN TR O D UCT I O N     B i pe r o bot s   h a v e   a r ou s e m u c a t t e n t i on  ov e r   t h e   pa s t   de c a de s .   B u t   u t n o w ,   a   bi pe w a l k i ng  r o b o t   t h at   p er f o r m s   as   w el l   as   h u m an   h as   n o t   y et   b ee n   m ad e.   T o   s o m ex t e n t ,   i t   i n d i cat es   t h at   t h e   f u n d a m e n ta p r in c ip le s   o f   b ip e d   w a lk i n g   a r e   s till  n o f ul l und e r s t o o d [ 1 ] .   G e ne r a l l y ,   i o r d e r   t f o c us   o t he   d y n a m i cal   c h ar act er s   o f   b i p ed   w al k i n g ,   i t   i s   as s u m ed   t h at   t h l eg s   ar t er m i n at ed   i n   p o i n t s   a nd   no   a c t ua t i o i s   co n s i d er ed   at   t h s t an ce  f o o t   [ 2 - 4 ] .   A s   a r es u l t ,   t h Z er o - M o m e n P o in t( Z M P )   c r ite r io n   c a n b e   u s e d   in   t h e   s ynt he s i s   o f   w a l ki n p a t t e r n [ 5 ] .   A ddi t i on a l l y ,   s l i ppi n g   be t w e e n   t h e   s t a n c e   f oot   a n g r ou n i s   n ot   e x pe c t e d,   w h i c m e a n s   t ha t   t he   c o nt a c t   c o ns i s t e nc s ho ul d   b e   p r e s e r ve d .   T he   c o up l i ng  b e t w e e t he   a c t ua t e d   t o r q ue s   an d   t h co n t act   f o r ces   m ad t h co n t r o l   p r o b l em   g r eat   ch al l en g f o r   r es ear ch er s .   D i f f er en t   ap p r o ach es   ar p r o p o s ed   i n   l i t er at u r es   t o   h an d l b i p ed   w al k i n g   co n t r o l .   B y   a s s u m i n g   t h e   f oot - gr o und   i m p a c t   i s   r i gi d   a nd   no   s l i p p i ng  o r   r e b o und s   o c c ur s   d ur i ng  w a l k i n g ,   J . W .   G r i zzl an d   E . R .   W e s te r v e lt  e a l.   p r o v e d   th e   e x is te n c e   a n d   s ta b ilit y   o f   p e r io d ic   o r b it  f o r   b ip e d   w a lk i n g   o n   a   f iv e - l i n k,   p l a na r   pr ot ot y pe   R A B B I T [ 6 7 ] .   S e n t i s   e t   a l .   pr opos e a n   e x t e n s i on   of   ope r a t i on a l   s pa c e   c ont r ol l e r s   f or   f l oa t i ng - ba s e r obot s ,   by   pr oj e c t i n g   t h e   ope r a t i on a l   t a s k s   in to   t h e   c o n s tr a i n n u ll  s p a c e ,   th e   v io la tio n s   b e t w e e n   d if f e r e n ta s k s   a r e   a v o id e d [ 8 ] .   H o w e ve r ,   t hi s   a p p r o a c r e q ui r e s   t he   i nve r s i o o f   t he   s ys t e m   i n e r tia   m a tr i x   i n   th e   c o n tr o lle r ,   w h ic h   m a k e s   it s e n s iti v e   to   m o d e lin g   a n d   p a r a m e te r   e s ti m a tio n   e r r o r s [ 9 ] .   B as ed   o n   t h or t h og on a l   de c o m pos i t i on   of   t h e   c ons t r a i nt   J a c obi a n ,   M i ch ael   M i s t r y   et   al .   p r o p o s ed   an   i n v er s d y n a m i c s   al g o r i t h m   f o r   l eg g ed   r o b o t s ,   w h i ch   e x p r es s e s   t h i n v er s d y n a m i cs   co n t r o l l er   i n d ep en d en t l y   o f   co n t act   f o r ce s   an d   o n l y   r eq u i r es   t h k i n e m at i t er m s [ 10 ] .   R ecen t l y ,   S a l m a n   F ar aj i   et   al .   u s ed   s u ch   a n   ap p r o ach   t o   co n t r o l   a   p l an ar   m on opod  h oppe r   i n   r ou g h   t e r r a i n [ 11 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
  20           I SSN :   20 89 - 4856   IJ RA     V o l.   4 , N o 1 ,     March   201 5   :     19     30   L u d o v i R i g h et t i   et   al .   d e m o n s t r at ed   t h at   t h e   ap p r o ach es   o f   S e n t i s   et   al .   a n d   M ic h a e M is tr y   e a l.   ar eq u i v al en t   i n   es s en ce [ 12 ] ,   s i nc e   t he y   ( i nc l ud i ng  J . W .   G r i z z l e   a n d   E . R .   W es t er v el t   et   al . ) ar al l   b as ed   o n   t h as s u m p t i o n   t h at   t h co n t ac t   co n s t r ai n t s ,   b y   d ef i n i t i o n ,   ar ab l t o   ap p l y   n ece s s ar y   f o r ces   t o   m ai n t ai n   t h ei r   c o ns i s t e nc y .   H o w e ve r ,   t he   c o ns t r a i nt s   m a y   n ot   be   h ol un d e r   c e r t a i n   s i t u a t i on s   e s pe c i a l l f or   t h e   r obot   w i t poi n t   f oot .   B y   a ddi ng   a ddi t i on a l   t or qu e s   t c on t r ol   t h e   c o nt a c t   f or c e s ,   J a e h e u ng   P a r k   a nd  O u s s s a m s   K a h t i b   pr op os e a   c on t a c t   c ons i s t e n t   c on t r ol   f r a m e w or f or   h um a n oi r obot s [ 14 ] .   B u t   t h i s   ap p r o ach   al s o   n eed s   t o   c a lc u la te   t h e   in v e r s io n   o f   t h e   s y s te m   i n e r tia   m a tr ix .   I n   o r d er   t o   g en er at w al k i n g   g ai t   t h at   can   p r es er v t h co n t act   co n s i s t e n c y ,   b y   u t i l i zi n g   t h L i n ear   I nv er t ed   P en d u l u m   Mo d el ( L I P M ) [ 15 ] , a   no ve l   o nl i ne   w a l ki ng  ga i t   p a t t e r ge ne r a t i ng  m e t ho d   i s   p r o po s e d   i t h i s   p ap er ,   an d   t h co m p l et c o n t r o l   ar ch i t ect u r i s   s h o w n   i n   F i g . 1 .   F i gu r e   1.   B l oc k   di a g r a m   f or   t he   w a l k i n g   c ont r ol     I n   s e c tio n   2 ,   th e   r e la tio n s h i p   b e tw e e n   th e   o r b it  e n e r g y   a n d   th e   f o o lo c a tio n   is   d is c u s s e d   b y   a na l y z i n t he   d yna m i c s   o f   a   2 D - L I P M .   W i t h   acco u n t i n g   f o r   t h r es t r i ct i o n   o f   t h co n t act   f o r ces ,   a f o o t   p l ace m en t   co n t r o l l er   i s   p r o p o s ed   t o   t r ack   t h d es i r ed   o r b i t   en er g y .   I n   s ect i o n   3 ,   w d i s cu s s   t h g en er at i o o f   th e   d e s ir e d   tr a j e c to r ie s   in   ta s k   s p a c e   f o r   b ip e d   w a lk in g   b y   s e le c tin g   t h e   h ip s   h o r iz o n ta l   lo c o m o tio n   a s   th e   p ar am et er .   I n   s ect i o n   4 ,   a t as k   s p ace  co n t r o l l er   w i t h o u t   cal cu l at i n g   t h i n v er s i o n   o f   i n er t i al   m a t r i x   i s   p r es en t ed .   I n   s ect i o n   5 ,   w t es t   t h e   o n l i n w al k i n g   p at t er n   g en er at i n g   m et h o d   an d   t h t as k   s p ace  c o n t r o l l er   o n   a   v i r t u a l   bi pe r obot .   S e c t i on   6 c on c l u de s   t h e   pa pe r   a n pr o v i de s   t h e   di r e c t i on s   f or   f u t u r e   w or k .     2.   F O O T P LA C EM EN T C O N TR O L LE R  W I TH  C O N TA C T C O N S IS TEN C Y   A   p l an ar   5 - l i n k   poi n t   f oot   bi pe d   r o bo t ,   a s   s ho w i F i g. 2 . ( a ) ,   c o m p r i s e s   t w o   s ym m e t r i c   l e gs a nd   a   to r s o .   F r o m   th e   v ie w p o i n o f   n a tu r a h u m a n   w a l k i n g ,   it is   d e s ir a b le   th a th e   to r s o   is   a l w a y s   u p r i g h w i th   m i n i m u m   h ip s   v e r tic a o s c il la tio n   d u r i n g   w a l k i n g .   T h a i s   s i m ila r   to   a   2 D - L I P M ,   wh i ch   i s   d es cr i b ed   b y   K a j ita   e a l. [ 15 - 17 ] .   A 2 D - L I P M   c o m p r is e s   a   p o in m a s s   a n d   a   te le s c o p in g   m a s s le s s   le g   w it h   a   p o in f o o t,   w h ic h   is   in   c o n ta c w it h   t h e   f l a g r o u n d,   a s   s h o w i n   F i g . 2. ( c ) .   I n   t h i s   pa pe r   w e   m ode l   t h e   m o t i on   o f   t h e   bi pe r obot s   h i a s   a   2D - L I P M .     F i gu r e .   2.   A   p l an ar   5 - l i nk   bi pe r ob ot   w i t h   o n e   f oot   s t a n di ng  on   t h e   g r oun d:   ( a )   phy s i c a l   pa r a m e t e r s   of   t h e   r obot ;   ( b)   g e n e r a l i zed   co o r d i n at es ;   ( c)   a 2 D - L I P M   a ppr ox i m a t e s   t h e   m ot i on   of   t h e   bi pe r o bot s   h i p.   T h e   L I P M   co m p r i s ed   a p o i n t   m as s   w i t h   m as s     a n d   a   m a s s le s s   te l e s c o p in g   le g   w it h   p o in f o o t.   T h e   p o in m a s s   i s   k e p a c o n s ta n h e ig h   b y   a n   act u at o r   t h at   e x er t s   a f o r ce    o n   it.   a nd   ar t h t an g en t i al   an d   n o r m al   co m p o n e n t   o f   t h co n t act   f o r ce  b et w ee n   t h p o i n t   f o o t   an d   t h g r o u n d ,   r es p ect i v el y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA     I S S N :   2088 - 8708       Online Biped Walking  Pattern Generation with Contact Consistency (Hou Wenqi)   21   2 .1   2 D  L i n er I n v ert ed  P en d u l u m   T h e   e qu a t i on s   of   m o t i on   f or   t he   2D - L I P M   ar e [ 16 17 ]   :                   ( 1 )                     ( 2 )   w h er   is   th e   g r a v ita tio n a a c c e le r a tio n   c o n s ta n t,     a nd     a r e   t h e   pos i t i on   of   t h e   poi n t   m a s s ,   e x pr e s s e i a   lo c a f r a m e   w h ic h   i s   lo c a t e d   a th e   p o in f o o t,     is   a   c o n s ta n t.   T h e   o r b it  e n e r g y   o f   t h e   p o in m a s s   is   co n s er v ed   d u r i n g   eac h   s t a n ce  p h as e,   an d   i t   i s   d e f i n ed   as [ 15 - 17 ] :                     ( 3 )   T he   o r b i t   e ne r g y   d e t e r m i ne s   t he   b e ha vi o r   o f   t he   L I P   w he t he   p o i nt   m a s s   i s   m ovi ng   t o w a r t h e   f oot .   T h er ar t h r ee  cas es [ 1 ] :   a. .   T h e   p o in m a s s   w ill  s to p   a n d   r e v e r s e   d ir e c tio n   b e f o r e   g e tti n g   o ve r   t he   f o o t .   b. .   T h p o i n t   m as s   w i l l   co m t o   a r es t   ex act l y   o n   t h f o o t .   c. .   T he   p o i nt   m a s s   w i l l   go   o ve r   t he   f o o t   a nd   c o nt i nue   o i t s   w a y.   E q ua t i o ( 3 )   in d ic a te s   th a th e   o r b it  e n e r g y   is   e q u iv a le n to   th e   v e lo c it y   w h e n   t h e   p o in m a s s   p a s s e s   th r o u g h   t h e   s ta n c e   p o in t.   I m e a n s   t h a w it h   m o r e   o r b it  e n e r g y   t h e   p o in m a s s   w ill  m o v e   f a s te r .   S o   th e   b ip e d   w a l ki ng   c on t r ol   i s   a n   or bi t   e n e r gy   t r a c k i ng   pr obl e m   i n   e s s e nc e .   A ddi t i on a l l y ,   E qu a t i on ( 3 )   s h o w s   th a th e   o r b it   e ne r g f ul l d e p e nd s   o t he   l o c a t i o n   o f   th e   f o o r e la tiv e   to   th e   p o in m a s s   g i v e n   a   c e r ta in   in itia v e lo c it y .   S o   t he   o nl y   w a y   t o   c ha nge   t he   p oi nt   m a s s s   o r b i t   e ne r g y   i s   c ha n gi n t he   f o o t   l o c a t i o b y   t a ki n a   s t e p .   T c l a r i f t h an al y s i s   b et t er ,   w as s u m each   s t ep   i s   t ak en   i n s t a n t a n eo u s l y   a n d   t h v el o ci t y   o f   t h e   p o in m a s s   w il n o b af f ect ed   as   s h o w n   i n   F i g . 3 .       F i g ur e   3 .   T he   m o m e nt   w h e t he   2 D - L I P M   i s   t ak i n g   a s t ep .     is   th e   p e r m i tte d   m a x i m u m   h o r iz o n ta d is ta n c e   be t w e e n   t h e   poi n t   m a s s   a n t he   f oot   i n   e a ch   s t an ce  p h a s e,   w h i ch   m ea n s   o n ce  t h p o i n t   m a s s   ar r i v es   at     s t ep   m u s t   b t ak e n .     i s   t h h o r i zo n t al   d i s t an ce  b et w ee n   t h d es i r ed   f o o t   l o cat i o n   an d   t h p o i n t   m a s s   w h e a   s t e p   i s   b e i n t a ke n.   is   th e   v e lo c it y   o f   t h e   p o in m a s s   a th a m o m e n t.     L e t     a nd   be   t h e   or bi t   e n e r gy   of   t h e   poi n t   m a s s   be f or e   a n a f t e r   t h e   2D - L I P M   t ak es   s t ep ,   r es p ect i v el y ,   i . e.                     ( 4 )                     ( 5 )   E q ua t i o ( 5 ) mi n u s   ( 4 )   is                   ( 6 )   E q u a tio n ( 6 )   c l ear l y   i n d i cat es   t h at ,     can   ch a n g t h o r b i t   en er g y   o f   t h p o i n t   m as s   fo r   a   gi ve an d   t h r ee  t y p i cal   ca s es   ar i n cl u d ed :   a. .   T h o r b i t   en er g y   w i l l   i n cr e as e.   b. .   T h o r b i t   en er g y   w i l l   n o t   ch an g e,   an d   t h p o i n t   m as s   w i l l   m o v ex act l y   as   i n   t h e   p r e vi o us   s t a nc e   p ha s e .   c. .   T h o r b i t   en er g y   w i l l   d ecr e as e.   S o,   i n   or de r   t r e a l i z e   t h e   m ot i on   of   t h e   poi n t   m a s s   w i t de s i r e or bi t   e n e r gy ,   t h e   f oot   l oc a t i on  s h oul be   pr o pe r l y   c on t r ol l e f or   e v e r y   s t e p.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
  22                   I SSN :   20 89 - 4856   IJRA  Vol. 4, No. 1,  March 2015 :  19 – 30   2 .2   F o o t  P l a cem en t  C o n t ro l l er   F or   bi pe d   w a l ki ng   c on t r ol ,   t he r e   a r e   t w qu e s t i ons   t be   a n s w e r e d:   w h e n   a   s t e s h ou l d   be   t a k e n ?   W h er t h f o o t   s h o u l d   b p l aced ?   H er w w i l l   a n s w er   t h es q u es t io n s   b y   ta k in g   t w o   p r a c tic a r e s tr ic tio n s   acco u n t .   F i r s t ,   i n   or de r   t m a i n t a i n   t h e   f oot - g r oun c on t a c t   w i t h ou t   s l i ppi ng ,   t h e   m a gn i t u de   of   t h e   t a ng e nt i a l   f o r ce  , cx F   m u st   b e   l e ss   t h a n , cy F µ , i .e .   :   ,, cx c y FF µ <                     ( 7 )   wh e r e µ   is   th e   c o e f f ic ie n o f   f r ic tio n .   F r o m   F i g . 2 ( c ) ,   w e   c a n   g e t   , si n cx FF θ =                     ( 8 )   , c o s cy F F θ =                     ( 9 )   S ub s t i t ut i n e q ua t i o ( 8 )   a nd   ( 9 ) in to   ( 7 ) ,   w e   ha ve   0 t a n x y α µ = <                   ( 10 )   T h at   m ea n s   a s t ep   m u s t   b een   t ak en   b e f o r t h p o i n t   m as s   d ev i at es   f r o m   t h f o o t   w i t h   m a g n i t u d o f 0 y µ .   I o r d e r   t o   c ha nge   t he   o r b i t   e ne r ge w i t a   l a r ge r   va l ue .   w e   l e t   t he   f o o t   c ha nge   i t s   l o c a t i o w h e t he   p o i nt   ma s s   a r r i v es   at X   ,   an d   s et   0 0.5 X y µ =                     ( 11 )   S eco n d ,   d u t o   t h r es t r i ct i o n   o f   t h act u at o r ,   t h er e   is   a   lo w e r   li m it  to   t h e   ti m e   b e t w e e n   s te p s   ( f o o t   l o c a t i o c ha nge s ) , mi n T   ,   w h ic h   m o d e ls   th e   p r a c tic a a c tu a t io n   a b i lit y   o f   s w i n g   le g   .   F r o X   a nd mi n T   ,   w e   c a n   g e t h e   u p p e r   lim it  o f   t h o r b i t   en er g y :   2 2 0 2 1 mi n c mi n c T T ma x T T gX e E y e =                       ( 12 )   F r o m   e q ua t i o (3 ) a nd (4 ) ,   w e   ha ve   ( ) 2 22 0 0 11 22 2 c x g Ex X x y = = −=                  ( 13 )   I e q ua t i o n (5 ) ,   w l et   22 0 1 22 d e s c d e s g EE x L y + = =                 ( 14 )   F r o m   e q ua t i o ( 13 ) a nd   ( 14 ) , w can   h a v e:   ( ) 2 2 0 0 0 2 1 22 d e s d e s a x y g L x XE E gy = = ± + −= ±             ( 15 )   N o te   th a t,   if     ( ) 2 2 0 0 d e s x g Ex X y = ≥+                   ( 16 )   th e r e   w il n o b e   a   p o s itiv e   s o lu tio n   f o r d e s L ,   t ha t   m e a ns   t he   d e s i r e d   o r b i t   e ne r g y   i s   m uc l a r gge r   t ha t he   c ur r e nt   va l ue ,   s o   t h a j u s ta k e   o n l y   o n e   s te p   c a n n le t h e   p o in m a s s   m o v e   w it h   t h e   d e s ir e d   o r b it  e n e r g y .   I n   th is   s it u a tio n   o u r   s tr a te g y   is   i n c r e a s in g   th e   o r b it  e n e r g y   s te p   b y   s te p .   If d e s L   , cal cu l at ed   f r o m   eq u at i o n   ( 15 ) ,   is   la r g e r   th a n 0 y µ , i .e .   0 d e s Ly µ                     ( 17 )   W hi c m e a ns   t he   d e s i r e d   o r b i t   e ne r g i s   m u c l e s s   t ha t he   c ur r e nt   va l ue ,   s o   t ha t   a   l o n s t e p   m us t   b e   ta k e n ,   w h ic h   m a y   v io la te s   th e   r e s tr ic tio n   o n   c o n ta c f o r c e .   I n   th is   s i tu a t io n   o u r   s tr a te g y   is   d e c r e a s in g   t h e   or bi t   e n e r gy   s t e b y   s t e p.   F r o m   th e   v ie w p o i n o f   n a tu r a h u m a n   w a lk i n g ,   it’ s   d e s ir a b le   th a th e   s w i n g   f o o a l w a y s   la n d s   i n   f r o n o f   t h e   b o d y .   C o n s ie r in g   a ll  th e   c o n d itio n s   a s   ( 11 ) ( 12 )   , ( 16 )   a nd   ( 17 ) ,   w d es i g n   d e s L as   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA     I S S N :   2088 - 8708       Online Biped Walking  Pattern Generation with Contact Consistency (Hou Wenqi) 2 3   0.6 , 0 0.6 1.6 , 1.6 , 0.6 1.6 aa d e s a aa X E or E X L XE X E X E X ≤≤ = < <               ( 18 )   T h eo re m   1   :   F or   t h e   2D   L I P M   w i t h   poi n t   f oot ,   a   f oot   pl a c e m e nt   c on t r ol l e r   a s   s h o w n   i n   e qu a t i on s   ( 11 ) a nd   ( 18 )   c a n   c o n tr o th e   p o in m a s s   m o v e   f r o m   a n y   p e r m itte d   s ta te ( i. e .   th e   o r b it  e n e r g y   is   le s s   t h a n   th e   u p p e r   li m it)   i n t o   a d es i r ed   p er i o d i g ai t ( i . e.   t h o r b i t   en er g y   i s   eq u al   t o   t h d es i r ed   o n w i t h   a p er m i t t ed   v al u e)   w i t co n t act   co n s i s t e n c y .   T he o r e m   1   m e a ns   w h e t he   p o i nt   m a s s   e ve s u f f e r s   a   s u d d e d i s t ur b a nc e   ( e . g.   a   s ud d e p us h)   du r i ng   t h e   m ot i on ,   i f   t h e   or bi t   e n e r gy   doe s n’ t   e x c e e d ma x E ,   t h d es i g n ed   f o o t   p l ace m e n t   co n t r o l l er   can   s ta b iliz e   th e   m o t i o n.   E q ua t i o ( 11 )   an s w er s   t h q u es t i o n   : w h en   a s t ep   s h u o l d   b t ak en   ?   W h i ch   p r ev en t s   t h co n t act   c o ns i s t e nc d ur i n w a l ki ng.   A nd   e q ua t i o ( 18 )   a ns w e r s   t he   q ue s t i o n   : w h er t h f o o t   s h u o l d   b p l aced   W h i ch   ac h i ev e s   a d es i r ed   w al k i n g   c y cl e.       3.   O NL I N E  T R AJ E C T O RI E S   P L ANNI NG   I N T AS K  S P A CE   I n   th is   s e c tio n   w e   w ill  d is c u s s   t h p l an n i n g   o f   t h d es i r ed   t r aj ect o r i es   i n   t as k   s p ace  d u r i n g   b i p ed   w a l k i n g   ba s e on   t h e   f oot   pl a c e m e nt   c on t r ol l e r   i n   s e c t i on   2.   A s   m e n t i on e a bov e ,   t h e   t or s o’ s   pi t c h   a n g l e   a n t h e   h i p’ s   h e i gh t   s h ou l be   s t a bl i z e t c on s t a n t s   d ur i n w a l ki n g.   A d d t i o na l l y,   t he   s w i ng  l e p l a ys   a i nd i s p e ns a b l e   r o l e ,   a nd   i t s   m a i t a s i nc l ud e s   t a ki n o f f   f r o m   t h e   g r oun d,   m ov i ng   f or w a r a n l a n di ng   t a   de l i be r a t e   l oc a t i on ,   a n t h e n   v i a   c h a n g i ng   i t s   r ol e   a s   a   s t an ce  l e g   t o   co n t i n u t h w al k i n g .   S o   t h t as k   s p ace  d u r i n g   b i p ed   w al k i n g   ca n   b s el ect ed   as :   ; ;; ts k h ip s wt s wt P yx y θ  =                    ( 19 )   wh e r e θ   is   th e   p itc h   a n g le   o f   th e   to r s o , hi p y   i s   t he   he i g ht   o f   t he   hi p ,   sw t x a nd   sw t y ar t h h o r i zo n t al   a n d   v ir t ic a c o m p o n e n t   o f   t h e   p o s itio n   o f   th e   s w i n g   f o o t.   I t’ s   c le a r   th a t h e   ta s k s   i n   ( 19 )   ar l i n ear l y   i nd e p e nd e nt .   T h d es i r ed   p i t ch   an g l o f   t h t o r s o   an d   t h h ei g h t   o f   t h h i p   ar s et   as :   = = 0 ,0 d e s d e s d e s d e s d e s d e s hi p hi p hi p y H c ons t ant y y θ θθ = = = = =                 ( 20 )   F i g u r 4   i l l u s t r at es   a d es i r ed   s t an ce  p h as d u r i n g   w al k i n g .   T h h i p   m o v e s   as   2D   L I P ,   a nd P   is   th e   d es i r ed   l o cat i o n   w h er t h s t a n ce  f o o t   s h o u l d   b p l aced   i n   n ex t   s t a n ce  p h as cacu l a t ed   b y   eq u a t i o n   ( 18 ) .T h e   d a sh - d o t t ed   l i n d en o t es   t h d es i r ed   t r a j ect o r y   o f   t h s w i n g   f o o t .   T h t r aj ect o r i es   can   b e   p l an n ed   as   a f u n ct i o n   o f   t i me [ 11 18 ]   or   t he   ge o m e t r i c   e vo l ut i o o f   t he   b i p e d [ 19 20 ] .   I n   or de r   t w i t hs t a n a   di s t u r be n c e   r obu s t l y   th e   la t te r   o p tio n   i s   a d o p te d   in   th is   p a p e r .   D u r in g   w a lk in g ,   t h e   h o r iz o n ta lo c a tio n   o f   h ip hi p x   is   m o n o to n ic a ll y   i n cr eas i n g ,   s o   i t   can   b s el ect e d   as   t h p ar a m et er   o f   d es i r ed   t r aj ect o r i es .     x y o h H a b c d es L d es L P X X   F i gu r e   4.   A   de s i r e s t a n ce  p h a s co n t ai n   t h r ee  cr u ci al   m o m e n t s :   ( a) ,   t h b eg i n n i n g   o f   a s t a n ce  p h as e,   i . e.   t h m o m e nt   j us t   a f t e r   t he   s w i ng  l e b e c a m e   t he   s t a nc e   l e g;   ( b ) ,   t he   m o m e n t   w he t he   hi p   p a s s   t ho u g t he   s t a nc e   p o i nt ;   ( c ) ,   t he   m o m e nt   w h e t he   hi p   a r r i ve s   a t X .   T he   d a s he d   l i ne   d e no t e s   s w i ng  l e a nd   t he   s o l i d   l i ne   d e no t e   s t an ce  l e g .     L e t   ( ) ( ) ; d e s d e s d e s s wt s wt h ip s wt h ip P x x y x  =    b e   th e   d e s ir e d   p o s itio n   o f   th e   s w i n g   f o o in   th e   lo c a f r a m e   lo c a te d   at   t h p o i n t   f o o t .   T h er ar e   t h r ee  cr u ci al   m o m en t s   i n   o n s t a n ce  p ha s e   a s   s ho w n   i F i g. 4 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
  24                      I SSN :   20 89 - 4856   IJRA  Vol. 4, No. 1,  March 2015 :  19 – 30   T he   c o ns t r a i nt   e qu a t i on s   f or   t he   de s i r e t r a j ect o r i es   ar d es cr i b ed   as   f o l l o w s :   ( a) .   T h b eg i n n i n g   o f   a s t a n ce  p h as e:   ( ) ( ) ( ) 0 d e s d e s s w t d e s d e s s w t d e s d e s s w t d e s LX xL PL y L −−  = =                 ( 21 )   ( ) ( ) ( ) 0 0 d e s s w t d e s d e s s w t d e s d e s s w t d e s xL PL y L  = =                   ( 22 )   ( b ) .   T he   m o m e nt   w h e t he   hi p   p a s s   t ho ug t he   s t a nc e   p o i n t :   ( L e h   b t h m a x i m u m   cl ear an ce  o f   t he   s w i n l e g) :   ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0 d e s sw t d e s sw t d e s sw t x P h y  = =                   ( 23 )   ( ) ( ) ( ) 0 0 ,0 0 0 d e s sw t d e s sw t d e s sw t v x Pv y   = =                     ( 24 )   ( c ) .   T he   m o m e nt   w he t he   hi p   a r r i ve s   a t X   :   ( ) ( ) ( ) 0 d e s d e s sw t d e s s w t ma x d e s sw t XL xX P X yX  +  = =                   ( 25 )   ( ) ( ) ( ) 0 0 d e s sw t d e s s w t ma x d e s sw t xX P X yX   = =                     ( 26 )   U s i n a   s i nu s oi da l   f un c t i on   o f hi p x ,   t h e   de s i r e t r a j e c t o r y   of   s w i ng   f oot   i s   pl a nn e a s   f ol l o w s :   ( ) ( ) [ ] ( ) ( ] si n , , 0 2 s i n , 0, 2 hi p de s hi p de s d e s rd s wt h ip hi p de s hi p x LX x L L x x x LX x X X π π ′′ + ∈− = +∈             ( 27 )   ( ) [ ] ( ] c o s , , 0 22 c o s , 0, 22 hi p hi p de s d e s d e s s wt h ip hi p hi p x hh xL L yx x hh xX X π π + ∈− = +∈             ( 28 )   W h er d e s L   a nd   d e s L   ar t h h o r i zo n t al   d i s t an ce  b et w e e n   th e   d e s ir e d   f o o lo c a tio n   a n d   th e   h ip   in   t h e   cu r r en t   an d   t h f o r m er   s t ep ,   r es p ect i v el y ,   as   s h o w n   i n   F i g .   4 .       4.   RO B O T  M O DE L  AND  T AS K  S P ACE  CO NT RO L L E R   I t hi s   s e c t i o n,   t he   d yna m i c s   o f   a   p l a na r   5 - l i n k   poi n t   f oot   bi pe d   i s   i n t r odu c e a n d   a   t a s k   s pa c e   c on t r ol l er   b as ed   o n   t h d y n a m i cs   m o d el   i s   d es i g n ed   t o   r eal i ze  t h t r aj ect o r i es   p r es en t ed   b y   ( 20) , ( 27) a nd   ( 28) .   A s   s ho w i F i g. 2 . ( b ) ,   i f   t he r e   i s   no   m o t i o b e t w e e t he   s t a nc e   f o o t   a nd   t he   gr o und   [ 2 6 10 21 ] a nd   t he   o r i gi o f   t h l o cal   r ef er en ce  f r a m i s   l o cat ed   at   t h p o i n t   f o o t ,   a s et   o f   g en er al i ze d   co o r d i n at o f   t h b i p ed   r o b o t   can   b s el ect ed   as :   [ ] ; er qq θ =                     ( 29 )   W he r e [ ] 1 2 21 ; ;; r r r ll q θθ θ θ =   i s   t h e   j oi n t   c onf i gu r a t i on   of   t h e   r obot .   a n θ i s   t he   p i t c a ng l e   o f   t he   to r s o   in   th e   lo c a f r a m e .   U s i n t he   L a gr a nge   m e t ho d ,   w e   c a ge t   t he   d yna m i c s   o f   t h e   r o b o t [ 22 ] :   ( ) ( ) ( ) , T e e e e e e M qq C q qq G q S τ + + =                ( 30 )   wh e r e ( ) 55 e Mq R ×   is   th e   i n e r tia   m a tr ix   o f   th e   r o b o t, ( ) 55 , e e Cq q R × is   th e   c e n tr ip e ta a n d   C o r io lis   f o r ces , ( ) 51 e Gq R ×   i s   t he   gr a vi t f o r c e s ,   [ ] 4 4 41 0 SI ×× =   is   th e   s e le c ti n g   m a tr i x   o f   t h e   a c tu a te d   j o in ts , 41 R τ ×   is   th e   v ect o r   o f   act u at ed   j o i n t   t o r q u es .   L e t ( ) t sk e P fq =   ,   t h t as k   v el o ci t i e s   can   b e   cal cu l at ed   as :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA     I S S N :   2088 - 8708       Online Biped Walking  Pattern Generation with Contact Consistency (Hou Wenqi)   25   t sk e t sk e e f P q J q q = =                    ( 31 )   If ( ) 4 t sk r ank J =   ,   by   u s i ng   t h e   M oor e - P en r o s p s eu d o - i n v er s o f   t h t a s k   J a co b i an [ 23 ]   :   # e t sk t sk q JP =                     ( 32 )   ( ) # # t sk e t sk t sk t sk d J q JP P dt = +                     ( 33 )   wh e r e ( ) 1 # TT t sk t sk t sk t sk J J J J = .   S u b s titu ti n g   ( 32 ) a nd ( 33 )   in to ( 30 ) ,   t he   d yn a m i c s   i n   t as k   s p ace  can   b ex p r es s ed   as :   ( ) ( ) ( ) ( ) # ## , t sk T e t sk t sk e e t sk t sk e d J M q J P C q q J P G q S dt τ + + + =            ( 34 )   M ul t i p l yi ng  e q ua t i o ( 34 ) by S     :   t sk t sk M P C P G τ + +=                     ( 35 )   wh e r e ( ) # e t sk M SM q J =   , ( ) ( ) ( ) # # , t sk e e t sk e d J C S Cq q J M q dt   = +     , ( ) e G SG q = .   E q ua t i o ( 35 )   m e a ns   t he   f ul l   d yna m c i s   o f   t he   r o b o t   c a b e   r e pr e s e nt   b y   t h e   t op  por t i on s   of   t he   e q ua t i o ( 34 ) [ 10 ] . A   t as k   s p ac P D   t y p co n t r o l l er   can   b d es i g n ed   as :   ( ) d e s t sk t sk P t sk D t sk MP C P G M K e K e τ = + + +                 ( 36 )   W he r e d e s t sk t sk t sk e PP =   , d e s t sk t sk t sk e PP =    .   N o te   th a th e   c o n tr o lle r ( 36 ) d o e s n n e e d   to   c a lc u la te   t h e   i n v e r s io n   o f   in e r tia m a tr i x ,   w h ic h   is   m o r e   c o nve ni e n t   t ha t he   m e t h od  of   [ 13 14 ] .   A n d   it i s   s i m ila r   to   th e   c o n tr o lle r s o f [ 10 21 ] ,   in   w h ic h   th e   ta s k   s p aceJ aco b i an   s h o u l d   t ak t h e   co n t act   co n s t r ai n t s   i n t o   acco u n t .   H er t h co n t act   co n s t r ai n t s   ar co n s i d er ed   i n   e q u a tio n ( 30 ) ,   th u s   t h e   c o n tr o ll e r   is   m o r e   c o n v e n ie n to   i m p le m e n t.       5.   S I M UL AT I O N A ND DI S C US S I O N S   S i m u la tio n   e x p e r i m e n ts   a r e   i m p le m e n te d   i M A T L A B .   B u s i ng  t he   S i m M e c ha ni c s   t o o l b o x,   a   v ir tu a 5 - l i nk   pl a n a r   bi pe r ob ot   w i t h   t w o   s y m m e tr ic   le g s   is   b u ilt  a s   s h o w n   in   F ig . 5 .   T h e   p h y s ic a p a r a m e te r s   o f   th e   r o b o a r e   s h o w n   i n   T a b l e   1 ,   a n d   w a lk i n g   is   b e g in n i n g   w it h   t h e   in itia s ta te s   s h o w n   in   T a b le 2 .     F ig u r e   5 .   A   v ir tu a 5 - l i n k   pl a na r   bi pe r ob ot     T a b le   1 P h y s i cal   p ar a m e t er s   o f   t h e   v i r t u a l   bi pe r obot   M o d el   p a r a m et er   U n i ts   To r s o   Th i g h   S h a n k   M a ss   k g   1 8 . 84   5 . 0 2 4   5 . 0 2 4   Le n g t h   m   0 .3   0 .4   0 .4   I n e r tia   2 k g m   0 . 2 04 1   0 . 0 6 7 6 6   0 . 0 6 7 6 6   Ma s s   c e n te r   to   t h e   jo i n t   m   0 .1   0 .2   0 .2     T a b le   2 I n itia s ta te s   o f   t h e   v i r tu a b ip e d   r o b o t.   S e th e   r ig h t   le g   a s   t h e   s ta n c e   le g   i n itia ll y .     1 r θ     2 r θ     1 l θ     2 l θ     θ     h ip x     h ip y     sw t x     sw t y     ( ) , q r ad m     0 . 7 10 8   - 0 . 3 55 4   0 . 9 57 8   - 0 . 4 78 9   0   0   0 . 7 5   0   0 . 0 4   ( ) /, / q r ad s m s     0   0   0   0   0   0   0   0   0   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
26                 I SSN :   20 89 - 4856   IJRA  Vol. 4, No. 1,  March 2015 :  19 – 30 I n   s i m u la tio n ,   w e   s e t h e   d e s i r e d   h e ig h o f   h ip 0.75 Hm = .   W ith   d i f f e r e n d e s ir e d   o r b ita e n e r g ie s   ( 0 d e s E = a nd 0.5 d e s E = ) ,   t he   s i m ul a t i o r e s ul t s   v a l i d a t e   t he   o nl i ne   w a l ki ng   p a t t e r ge ne r a t i ng   m e t ho d   a nd   t he   t a s k   s pa c e   c on t r ol l e r .   A   h or i z on t a l   di s t u r ba n c e   w i t h   m a g n i t u de   of   100N    i s   i m pos e on   t he   c e n t e r   of   t he   t o r s o   a 2 . 5 s ,   a n d   it la s ts   f o r   0 . 1 s .   A   n o n li n e a r   c o m p lia n c o n ta c m o d e w it h   C o u lo m b   f r ic tio n   is   u s e d   to   m o d e th e   co n t act   f o r ces   b et w e e n   t h e   r obot s   f oot   a n t h e   g r o u n a s   de s c r i be i n [ 4 24 ] .   F ig .   6   s h o w s   th e   o r b it  e n e r g y   o f   th e   h ip   in   8   s e c o n d s . W ith   th e   in itia c o n f i g u r a tio n   in   T a b le   2 ,   th e   r o b o t’ s   C O M   is   lo c a tin g   a t   t h e   r ig h s id e   of   t h e   s t a n c e   poi nt ,   du e   t t h e   g r a vi t y   t h e   r obot   w i l l   m o v e   f or w a r d,   t ha t   i s   t he   p r i m a r a c t ua t i o o f   t he   w a l ki ng.   S o   e ve w h e n   t he   hi p s   o r b i t   e ne r g i s   z e r o ,   t he   r o b o t   w i l l   no t   c om e   t a   s t op  a s   t h e   bl u e   l i n e   s h o w i n   F i g . 6.   I t   c a n   be   f oun t h a t   t h e   or bi t   e ne r g o f   t he   hi p   i s   no t   a   co n s t a n t   d u r i n g   a n y   s t an ce  p h as e.   T h at   i s   b ecau s t h l e g s   ar n o t   m as s l es s ,   e s p eci al l y   t h s w i n g   l eg .   W h i l e   t h i d eal   L I P M   as s u m es   t h e   l eg s   ar m as s l es s .   N e v er t h e l es s ,   t h r o b o t   w al k s   w i t h   a   p er i o d i g ai t   ev en   s u f f e r i n t he   s u dde n   di s t u r ba nc e .       F i g ur e . 6   T he   o r b i t   e ne r g y   o f   t he   hi p   d ur i ng  w a l ki n g.   T he   gr e e l i n e s   d en o t t h d es i r ed   o r b i t   en er g y .   T he   s o lid   lin e s   d e n o te   t h e   o r b it  e n e r g y   o f   t h e   h ip     T he   t a nge nt i a l   c o m p o ne nt   o f   t he   c o nt a c t   f o r c e   o f   t he   r i g ht   f o o t   d ur i ng  w a l ki n i s   s ho w i F i g. 7   w i t s o l i d   l i ne s ,   a nd   t he   gr e e d a s he d   l i ne s   d e no t e   t he   b o und   o f   f r i c t i o f o r c e   w hi c i s   c a l c ul a t e d   b m u l t i p l y i n g   t h n o r m al   co m p o n en t   o f   t h co n t act   f o r ce  w i t h   t h co e f f i ci en t   o f   f r i ct i o n   u s ed   i n   t h co n t act   m o d e l.   W h e n   t h e   s o lid   lin e s   ( r ed   o r   b l u e)   l o cat i n s i d t h r an g f o r m ed   b y   t h zer o   g r i d   l i n an d   t h g r ee n   d as h ed   l i n e,   i t   m ean s   t h f r i ct i o n   f o r ce  l o cat i n s i d t h e   f r i ct i o n   co n e,   t h u s   t h co n t act   co n s i s t en c y   i s   p r es er v ed .     F i g ur e   7 E f f ect s   o f   s el ec t i n g   d i f f er e n t   s w i t ch i n g   u n d er   d y n a m ic   c o n d itio n     C o n s i d er i n g   t h p r act i cal   r es t r i ct i o n   o f   t h act u at o r s ,   i n   s i m u l at i o n   w i m p o s u p p er   an d   l o w er   l i m i t s   o t he   a c t ua t i o t o r q ue s   a s   s ho w n   i F i g. 8   a nd   F i g. 9 .   0 1 2 3 4 5 6 7 8 - 0. 06 0 0. 5 1 1. 5 E T i m e ( s )     E d= 0 E0 E d= 0. 5 E1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 - 600 - 100 0 100 300 F c ( N) ( b)  E d= 0. 5                T i m e( s )     0 1 2 3 4 5 6 7 8 - 350 - 100 0 100 350 F c ( N) (a ) E d = 0     F y * μ F x F y * μ F x Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA     I S S N :   2088 - 8708       Online Biped Walking  Pattern Generation with Contact Consistency (Hou Wenqi)   27   F i g ur e   8 .   A c t u a t i on   t or qu e   of   e a c h   l i nk   du r i ng   w a l ki ng   w he n   0 d e s E =       F i g ur e   9 .   A c t u a t i on   t or qu e   of   e a c h   l i nk   du r i ng   w a l ki ng   w he n   0.5 d e s E =       6.   CO NCL U S I O N   I n   t h i s   p ap er ,   w ad d r es s   t h i s s u o f   w a l k i n g   co n t r o l   o f   a p l an ar   b i p ed   r o b o t   w i t h   co n t act   c on s i s t e n c y .   B y   m ode l i n g   t he   m ot i on  of   t h e   h i a s   a   2D - L I P M ,   a   f o o p la c e m e n c o n tr o lle r   w h ic h   c a n   p r es er v t h e   co n t act   co n s i s t e n c y   i s   p r o p o s ed   t o   t r ack   t h d es i r ed   o r b i t   en er g y .   B y   s el ect i n g   t h h i p s   h o r i zo n t al   l o co m o t i o n   a s   t h p ar am et er ,   t h w al k i n g   p at t er n   i s   g en er at ed   o n   t h r eal   t i m e.   A   t as k   s p ace  P D   t y p co n t r o l l er   w i t h o u t   cal c u l at i n g   t h i n v er s i o n   o f   i n er t i al   m at r i x   i s   d es i g n ed   t o   r eal i ze   t h b i p ed   w al k i n g .   S i m ul a t i o r e s ul t   s ho w s   t he   p r o p o s e m e t ho d   no t   o nl y   c a c o nt r o l   t he   r o bo t   w a l ki ng  i nt o   p e r i od i c   ga i t ,   b ut   a l s o   c a w i t hs t a nd   a   s ud d e d i s t ur b a n c e .   T h e   f u t u r e   w or k   w i l l   f oc u s   o n   e x t e n di ng   t h e   m e t hod  i n t a   3D   bi pe r obot .       ACK NO W L E D G E M E NT S   T h i s   w or k   h a s   be e f un de by   t he   C r o s s i ng  S p e c ia ltie s   C o - ed u cat i n g   P ro g ra m   f o P h D   s t ud e nt s   in   N a t i o na l   U ni ve r s i t o f   D e f e n s e   T e c hno l o g y ( N o. k xk 14010 1) ,   a nd   t he   N at i o n al   H i g h   T ech n o l o g y   R es ear c h   a n D e v e l op m e n t   P r og r a m   of   C h i n a ( N o. 2011A A 040801 ) .       0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 0 50 τ r1 ( N* m ) (a ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 0 50 τ r2 ( N* m ) (b ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 0 50 τ l1 ( N* m ) (c ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 0 50 τ l2 ( N* m ) T i m e ( s ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 0 50 τ r1 ( N* m ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 0 50 τ r2 ( N* m ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 0 50 τ l1 ( N* m ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 0 50 τ l2 ( N* m ) T i m e ( s ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
28                    I SSN :   20 89 - 4856   IJRA  Vol. 4, No. 1,  March 2015 :  19 – 30   AP P E NDI X   A.   P ro o f   o f  t h eo rem  1   Ca s e   1 :   W he n 0 0.6 aa E or E X ≤≤   ,   le t 0.6 d e s LX =   ,   s u b s tit u te   it i n to   e q u a tio n   (6 )   2 0 0.32 g E E E X c ons t ant y +− ∆= = =               ( 37 )   T h at   m ea n s   w h e n   t h cu r r en t   o r b i t   en er g y   i s   m uc l e s s   t ha n   t he   d e s i r e d   o ne ,   w e   t a ke   a   s t e p   s uc t ha t   t h o r b i t   en er g y   i n cr eas w i t h   a co n s t an t   v al u e.   F o r   t h d es i r ed   o r b i t   en er g y   i s   f i n i t e,   s o   af t er   t ak i n g   f i n i t e   st e p s,   e . g . N   ,   w e   c a ha ve :   2 0 0.32 0, N d e s N g E E E X y =                 ( 38 )   wh e r e N E   is   th e   o r b it  e n e r g y   w h e n   ( ) 12 N   s t ep s   h av b een   t a k e n .   T h en   w h av e:   ( ) ( ] 2 0 2 0.6 a N d e s y E E E X XX g = +∈             ( 39 )   F o r   th e   n e x s te p   th e   p o in m a s s   w ill  c o m e   to   c a s e   3 .   Ca s e   2 :   W he n 1.6 a E X   ,   le t 1.6 d e s LX =   ,   s u b s tit u te   it i n to   e q u a tio n (6 ) 2 0 0.78 g E E E X c ons t ant y +− ∆= = =               ( 40 )   T h at   m ean s   w h en   t h e   cu r r en t   o r b i t   en er g y   i s   m u ch   b i g g er   t h an   t h d e s i r ed   o n e,   w t a k s t ep   s u ch   t h at   t h o r b i t   en er g y   d ecr eas w i t h   co n s t a n t   v al u e.   F o r   t h d es i r ed   o r b i t   en er g y   i s   f i n i t e,   s o   af t er   t ak i n g   fi n i t s t ep s   ,   e. g . M   ,   w e   c a ha ve :   2 0 0.78 ,0 M d e s M g EE E X y = ∈−               ( 41 )   wh e r e M E   is   th e   o r b it  e ne r g y   w h e ( ) 1, 2 , M   s t ep s   h av b een   t a k e n .   T h en   w h av e:   ( ) [ ) 2 0 2 , 1.6 a M d e s y E EE X X X g = +∈               ( 42 )   F o r   th e   n e x s te p   th e   p o in m a s s   w ill  c o m e   to   c a s e   3 ,   to o .   Ca s e   3 :   W he n 0.6 1.6 a X E X < <   ,   le d e s a LE =   , s u b s tit u te   e q u a tio n   ( 15 )   in to (6 ) :   0 EE E +− ∆= =                   ( 43 )   T ha t   m e a ns   w h e t he   p o in m a s s   ta k e   a   s te p   to   th e   d e s ir e d   lo c a tio n ,   th e   o r b it  e n e r g y   w ill  b e   e q u a to   t h d es i r ed   o n e.     F r o m   e q ua t i o ( 15 ) ,   w can   s ee  t h at   w h e n   t h cu r r e n t   o r b i t   en er g y   i s   eq u al   t o   t h d es i r ed   o n e, d e s LX   T he f r o m   e q ua t i o (3 ) xX x c ons t ant = a nd   t he f r o m   e q ua t i o n ( 45) ,   t h p er i o d   o f   s t an ce  p h as e   i c o n s ta n to o .   N o t t h at   n o   m at t er   t h ca s es ,     0 0.6 1.6 0.8 d e s X L X y µ =                 ( 44 )   T h at   m ea n s   t h co n t ac t   f o r ce  r es t r i ct i o n ( 10 )   w ill  a l w a y s   b e   s a tis f ie d .   A b o v al l ,   w can   co n cl u d t h at   t h d es i g n ed   X   a nd d e s L   c a c o nt r o l   t he   p o i nt   m a s s   m o ve   f r o m   a n p e r m i tte d   s ta te   i n to   a   p e r io d   g a it  w i th   c o n ta c c o n s is te n c y .     B.   D eri v at i on  of   t h e   m axi m u m   val u e  of  or b i t  e n e r g ma x E     G iv e n   a n   i n it ia s ta te   ( ) ( ) ( ) 0, 0 xx   a n d   th e   f in a s ta te   ( ) ( ) ( ) , xt xt ,   th e   tr a n s it io n   ti m e   c a n   b e   cacu l at ed   as   [ 17 ] :   ( ) ( ) ( ) ( ) ln 0 0 c c c xt T xt tT x Tx + = +                   ( 45 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.