A Foot Placement Strategy for Robust Bipedal Gait Control

This thesis introduces a new measure of balance for bipedal robotics called the foot placement estimator (FPE). To develop this measure, stability first is defined for a simple biped. A proof of the stability of a simple biped in a controls sense is shown to exist using classical methods for nonlinear systems. With the addition of a contact model, an analytical solution is provided to define the bounds of the region of stability. This provides the basis for the FPE which estimates where the biped must step in order to be stable. By using the FPE in combination with a state machine, complete gait cycles are created without any precalculated trajectories. This includes gait initiation and termination. The bipedal model is then advanced to include more realistic mechanical and environmental models and the FPE approach is verified in a dynamic simulation. From these results, a 5-link, point-foot robot is designed and constructed to provide the final validation that the FPE can be used to provide closed-loop gait control. In addition, this approach is shown to demonstrate significant robustness to external disturbances. Finally, the FPE is shown in experimental results to be an unprecedented estimate of where humans place their feet for walking and jumping, and for stepping in response to an external disturbance

Image processing system for robotic applications

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesA procura e reconhecimento de padrões foi sempre um desafio para a mente humana e sem dúvida a sua maior capacidade. Esta tese encontra-se inserida no domínio do RoboCup e apresenta uma solução em tempo-real para a detecção de objectos através do processamento de imagem. Ao longo do trabalho, desenvolvemos vários algoritmos para análise de imagem com vista a encontrar objectos através da sua cor e das suas propriedades morfológicas. Nos algoritmos baseados na procura por cor, foram usados métodos de segmentação de cor e procura radial na imagem, permitindo bom desempenho em tempo-real. A pesquisa por propriedades morfológicas baseia-se em algoritmos de detecção de contornos em conjunto com a transformada circular de Hough. Ambos algoritmos, procura por cor e por características morfológicas, provaram a sua fiabilidade, sendo capazes de boas taxas de detecção em condições de tempo-real. Para além do anteriormente referido, foi desenvolvida uma biblioteca para manipular imagens e assegurar uma abstracção sobre os possíveis modos da imagem e uma ferramenta para ajudar na calibração da visão perspectiva. ABSTRACT: The search and recognition of patterns has always been a challenge for the human mind, and without any doubts its biggest capacity. This thesis is inserted in the RoboCup domain and presents a real-time solution to object detection using image analysis. In this work, we developed several image analysis algorithms to find objects based in their color and morphological properties. The color based search algorithms use color segmentation methods along with radial image scanning, allowing real-time performances. The morphological analysis is based in edge detection algorithms and the circular Hough transform. Both algorithms, search for color and morphological properties, proved their reliability, being capable of good detection ratios in real-time situations. Moreover, this thesis presents several tools, namely, an image library created to better manipulate the images and assure abstraction over the possible image modes acquired by digital cameras, and a tool to help in the perspective vision calibration

Sistemas de comunicação e controlo para uma plataforma humanóide

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesA área da robótica humanóide apresenta uma dinâmica crescente em resultado dos avanços tecnológicos verificados nos últimos anos. No seguimento destes desenvolvimentos, vários grupos de investigação têm iniciado a construção de robôs de pequenas dimensões e baixo custo no sentido de realizarem trabalho científico em áreas tão diversas como o controlo, a percepção, a navegação e a cooperação. Com a realização deste trabalho pretendeu-se dar seguimento a actividades anteriores concentradas no projecto e concepção de uma plataforma humanóide assente numa arquitectura de controlo distribuída. Entre os maiores desafios colocados inicialmente assumiram particular importância o desempenho da arquitectura de controlo e as limitações dos elementos de actuação (servomotores). Nesta linha de ideais, esta dissertação descreve o desenvolvimento e avaliação do sistema de comunicações, do sistema de controlo de baixo nível e de diversos algoritmos e estratégias de controlo ao nível da tarefa. Neste sentido, foram executadas um conjunto de actividades que permitiram desenvolver uma compreensão aprofundada dos problemas, desafios e compromissos inerentes ao trabalho, e clarificar as possibilidades de aplicação prática. ABSTRACT: The field of humanoid robotics has been attracting the attention of a growing community, both from the industry and academia. The continuous progress in robotics technology opens up new possibilities for academic research on lowcost and easy-to-design humanoids. The main scope has been the development of humanoid platforms to carry out research on control, navigation and perception. Beyond the ultimate goal of applicability and validation of the platform, the proposed work aimed the prosecution of ongoing developments covering the hardware components and the control issues that must be solved regarding the feasibility of upright biped walking. The main scope of the work beneath this dissertation has been the design and implementation of a distributed architecture for a humanoid robot where centralized and local controls co-exist and concur to provide a robust and versatile operation. As the capabilities of the control system are at the core of the robot development, a research task specifically addressed the communications system and the control issues. One of the main issues is to investigate how centralised and local modules may co-exist and concur to provide robust and versatile operation. Research along the above development phases has been conducted with the purpose of clarifying the system’s performance according to the initial ideas and requirements, and the possibilities of practical applications