This thesis aims at the understanding, the design, the dynamics, and primarily, the con- trol of a one-legged running robot with the goal of maximizing its energy efficiency. The approach exploits the leg's passive dynamics, the unforced periodic leg swing motion. We introduce a strategy, termed “Controlled Passive Dynamic Running,” which tracks a vary- ing desired forward speed in a stable and robust fashion, and at the same time enjoys high efficiency resulting from passive operation. A simplified model of the running robot is used for preliminary studies. For this model, proper spring selection and initial conditions result in passive dynamic operation close to the desired running motion, without any actuation. However, this passive running is not stable and thus requires a stabilizing controller. The controller is based on online calculations of the desired passive motions, which are param- eterized in terms of a normalized “locomotion time." Simulation results show substantial reduction in the energy expenditure of the passive running robot compared to another robot without passive hip. A one-legged robot, "ARL Monopod II," is developed as a means for experimental validation of the control strategy. It features compliant elements in series with actuators at its hip and prismatic knee joint. Implementing the controller on the real robot results in a dramatic hip energy reduction of 60%, compared to an older robot without a passive hip. As a result, the "specific resistance” is reduced to 0.22 from the reported value of 0.7 for the older robot. The specific resistance is used as a measure to compare several legged robots, other vehicles and human activities.

A new controller for the vertical motion and its stability proof are provided. The dynamics of the robot is corrected by the controller to create a limit cycle similar to the one found by passive vertical oscillations. A Lyapunov-type function and Lasalle's theorems are used to prove that the resulting limit cycle is attractive and its domain of attraction is found explicitly.

Cette thèse a pour but la compréhension, la conception, la dynamique et, principalement, la commande d'un robot-coureur à une jambe avec l'objectif d'en maximiser le rendement énergétique. L'approche choisie exploite la dynamique passive de la jambe, son balancement périodique libre. Nous introduisons une loi de commande, appelée "Commande de Course à Dynamique Passive", pour la poursuite d'une vitesse en avant variant avec le temps. Cette commande est stable et robuste tout en procurant un rendement très élevé. Un modèle simplifié du robot-coureur est utilisé lors des études préliminaires. Dans ce modèle, le choix d'un ressort adéquat et des conditions initiales aboutit à un mode d'opération en dynamique passive proche du mouvement de course désiré, sans utiliser d'articulations motorisées. Toutefois, cette course passive est instable et nécessite un régulateur au sommet. Le régulateur est basé sur des calculs en temps réel des mouvements passifs désirés, ce qui est paramétrisé en termes d'un "temps de mouvement” normalisé. Les résultats des simulations montrent une reduction notable dans l'énergie du robot à course passive en comparaison avec un robot sans hanche passive. Un robot unijambe, “ARL Monopod II”, a été développé dans le but de valider expérimentalement la loi de commande. Il comprend des éléments élastiques en série avec des effecteurs à la hanche et un articulation prismatique au genou. L'implémentation du controleur sur le robot produit des réductions de 60% de l'énergie de la hanche, en comparaison avec un robot précédent sans hanche passive. En conséquence, la "résistance spécifique" est réduite de 0.7, valeur établie pour l'ancient robot, à 0.22. La résistance spécifique est une mesure utilisée pour comparer différents robots à jambes, des véhicules et des activités humaines.

Un nouveau controleur et la preuve de sa stabilité pour le mouvement vertical sont fournis. La dynamique du robot est corrigée par le régulateur afin de créer un cycle limite semblable à celui obtenu lors d'oscillations passives verticales. Une fonction du type de Lyapunov et les théorèmes de Lasalle sont utilisés pour prouver que le cycle limite résultant est attractif et son domaine d'attraction est trouvé de façon explicite.