A Bio-inspired architecture for adaptive quadruped locomotion over irregular terrain

Tese de doutoramento Programa Doutoral em Engenharia Electrónica e de ComputadoresThis thesis presents a tentative advancement on walking control of small quadruped and humanoid position controlled robots, addressing the problem of walk generation by combining dynamical systems approach to motor control, insights from neuroethology research on vertebrate motor control and computational neuroscience. Legged locomotion is a complex dynamical process, despite the seemingly easy and natural behavior of the constantly present proficiency of legged animals. Research on locomotion and motor control in vertebrate animals from the last decades has brought to the attention of roboticists, the potential of the nature’s solutions to robot applications. Recent knowledge on the organization of complex motor generation and on mechanics and dynamics of locomotion has been successfully exploited to pursue agile robot locomotion. The work presented on this manuscript is part of an effort on the pursuit in devising a general, model free solution, for the generation of robust and adaptable walking behaviors. It strives to devise a practical solution applicable to real robots, such as the Sony’s quadruped AIBO and Robotis’ DARwIn- OP humanoid. The discussed solutions are inspired on the functional description of the vertebrate neural systems, especially on the concept of Central Pattern Generators (CPGs), their structure and organization, components and sensorimotor interactions. They use a dynamical systems approach for the implementation of the controller, especially on the use of nonlinear oscillators and exploitation of their properties. The main topics of this thesis are divided into three parts. The first part concerns quadruped locomotion, extending a previous CPG solution using nonlinear oscillators, and discussing an organization on three hierarchical levels of abstraction, sharing the purpose and knowledge of other works. It proposes a CPG solution which generates the walking motion for the whole-leg, which is then organized in a network for the production of quadrupedal gaits. The devised solution is able to produce goal-oriented locomotion and navigation as directed through highlevel commands from local planning methods. In this part, active balance on a standing quadruped is also addressed, proposing a method based on dynamical systems approach, exploring the integration of parallel postural mechanisms from several sensory modalities. The solutions are all successfully tested on the quadruped AIBO robot. In the second part, is addressed bipedal walking for humanoid robots. A CPG solution for biped walking based on the concept of motion primitives is proposed, loosely based on the idea of synergistic organization of vertebrate motor control. A set of motion primitives is shown to produce the basis of simple biped walking, and generalizable to goal-oriented walking. Using the proposed CPG, the inclusion of feedback mechanisms is investigated, for modulation and adaptation of walking, through phase transition control according to foot load information. The proposed solution is validated on the humanoid DARwIn-OP, and its application is evaluated within a whole-body control framework. The third part sidesteps a little from the other two topics. It discusses the CPG as having an alternative role to direct motor generation in locomotion, serving instead as a processor of sensory information for a feedback based motor generation. In this work a reflex based walking controller is devised for the compliant quadruped Oncilla robot, to serve as purely feedback based walking generation. The capabilities of the reflex network are shown in simulations, followed by a brief discussion on its limitations, and how they could be improved by the inclusion of a CPG.Esta tese apresenta uma tentativa de avanço no controlo de locomoção para pequenos robôs quadrúpedes e bipedes controlados por posição, endereçando o problema de geração motora através da combinação da abordagem de sistemas dinâmicos para o controlo motor, e perspectivas de investigação neuroetologia no controlo motor vertebrado e neurociência computacional. Andar é um processo dinâmico e complexo, apesar de parecer um comportamento fácil e natural devido à presença constante de animais proficientes em locomoção terrestre. Investigação na área da locomoção e controlo motor em animais vertebrados nas últimas decadas, trouxe à atenção dos roboticistas o potencial das soluções encontradas pela natureza aplicadas a aplicações robóticas. Conhecimento recente relativo à geração de comportamentos motores complexos e da mecânica da locomoção tem sido explorada com sucesso na procura de locomoção ágil na robótica. O trabalho apresentado neste documento é parte de um esforço no desenho de uma solução geral, e independente de modelos, para a geração robusta e adaptável de comportamentos locomotores. O foco é desenhar uma solução prática, aplicável a robôs reais, tal como o quadrúpede Sony AIBO e o humanóide DARwIn-OP. As soluções discutidas são inspiradas na descrição funcional do sistema nervoso vertebrado, especialmente no conceito de Central Pattern Generators (CPGs), a sua estrutura e organização, componentes e interacção sensorimotora. Estas soluções são implementadas usando uma abordagem em sistemas dinâmicos, focandos o uso de osciladores não lineares e a explorando as suas propriedades. Os tópicos principais desta tese estão divididos em três partes. A primeira parte explora o tema de locomoção quadrúpede, expandindo soluções prévias de CPGs usando osciladores não lineares, e discutindo uma organização em três níveis de abstracção, partilhando as ideias de outros trabalhos. Propõe uma solução de CPG que gera os movimentos locomotores para uma perna, que é depois organizado numa rede, para a produção de marcha quadrúpede. A solução concebida é capaz de produzir locomoção e navegação, comandada através de comandos de alto nível, produzidos por métodos de planeamento local. Nesta parte também endereçado o problema da manutenção do equilíbrio num robô quadrúpede parado, propondo um método baseado na abordagem em sistemas dinâmicos, explorando a integração de mecanismos posturais em paralelo, provenientes de várias modalidades sensoriais. As soluções são todas testadas com sucesso no robô quadrupede AIBO. Na segunda parte é endereçado o problema de locomoção bípede. É proposto um CPG baseado no conceito de motion primitives, baseadas na ideia de uma organização sinergética do controlo motor vertebrado. Um conjunto de motion primitives é usado para produzir a base de uma locomoção bípede simples e generalizável para navegação. Esta proposta de CPG é usada para de seguida se investigar a inclusão de mecanismos de feedback para modulação e adaptação da marcha, através do controlo de transições entre fases, de acordo com a informação de carga dos pés. A solução proposta é validada no robô humanóide DARwIn-OP, e a sua aplicação no contexto do framework de whole-body control é também avaliada. A terceira parte desvia um pouco dos outros dois tópicos. Discute o CPG como tendo um papel alternativo ao controlo motor directo, servindo em vez como um processador de informação sensorial para um mecanismo de locomoção puramente em feedback. Neste trabalho é desenhado um controlador baseado em reflexos para a geração da marcha de um quadrúpede compliant. As suas capacidades são demonstradas em simulação, seguidas por uma breve discussão nas suas limitações, e como estas podem ser ultrapassadas pela inclusão de um CPG.The presented work was possible thanks to the support by the Portuguese Science and Technology Foundation through the PhD grant SFRH/BD/62047/2009

Bio-Inspired Robotics

Modern robotic technologies have enabled robots to operate in a variety of unstructured and dynamically-changing environments, in addition to traditional structured environments. Robots have, thus, become an important element in our everyday lives. One key approach to develop such intelligent and autonomous robots is to draw inspiration from biological systems. Biological structure, mechanisms, and underlying principles have the potential to provide new ideas to support the improvement of conventional robotic designs and control. Such biological principles usually originate from animal or even plant models, for robots, which can sense, think, walk, swim, crawl, jump or even fly. Thus, it is believed that these bio-inspired methods are becoming increasingly important in the face of complex applications. Bio-inspired robotics is leading to the study of innovative structures and computing with sensory–motor coordination and learning to achieve intelligence, flexibility, stability, and adaptation for emergent robotic applications, such as manipulation, learning, and control. This Special Issue invites original papers of innovative ideas and concepts, new discoveries and improvements, and novel applications and business models relevant to the selected topics of ``Bio-Inspired Robotics''. Bio-Inspired Robotics is a broad topic and an ongoing expanding field. This Special Issue collates 30 papers that address some of the important challenges and opportunities in this broad and expanding field