Modeling and Simulation of the Humanoid Robot HOAP-3 in the OpenHRP3 Platform

The aim of this work is to model and simulate the humanoid robot HOAP-3 in the OpenHRP3 platform. Our purpose is to create a virtual model of the robot so that different motions and tasks can be tested in different environments. This will be the first step before testing the motion patterns in the real HOAP-3. We use the OpenHRP3 platform for the creation and validation of the robot model and tasks. The procedure followed to reach this goal is detailed in this article. In order to validate our experience, different walking motions are tested and the simulation results are compared with the experimental ones.This work has been supported by the Comunidad de Madrid Project S2009/DPI-1559/ROBOCITY2030 II, the CYCIT Project PI2004-00325 and the European Project Robot@CWE FP6-2005-IST-5

A motion system for social and animated robots

This paper presents an innovative motion system that is used to control the motions and animations of a social robot. The social robot Probo is used to study Human-Robot Interactions (HRI), with a special focus on Robot Assisted Therapy (RAT). When used for therapy it is important that a social robot is able to create an "illusion of life" so as to become a believable character that can communicate with humans. The design of the motion system in this paper is based on insights from the animation industry. It combines operator-controlled animations with low-level autonomous reactions such as attention and emotional state. The motion system has a Combination Engine, which combines motion commands that are triggered by a human operator with motions that originate from different units of the cognitive control architecture of the robot. This results in an interactive robot that seems alive and has a certain degree of "likeability". The Godspeed Questionnaire Series is used to evaluate the animacy and likeability of the robot in China, Romania and Belgium

Humanoid robot control of complex postural tasks based on learning from demostration

Mención Internacional en el título de doctorThis thesis addresses the problem of planning and controlling complex tasks in a humanoid robot from a postural point of view. It is motivated by the growth of robotics in our current society, where simple robots are being integrated. Its objective is to make an advancement in the development of complex behaviors in humanoid robots, in order to allow them to share our environment in the future. The work presents different contributions in the areas of humanoid robot postural control, behavior planning, non-linear control, learning from demonstration and reinforcement learning. First, as an introduction of the thesis, a group of methods and mathematical formulations are presented, describing concepts such as humanoid robot modelling, generation of locomotion trajectories and generation of whole-body trajectories. Next, the process of human learning is studied in order to develop a novel method of postural task transference between a human and a robot. It uses the demonstrated action goal as a metrics of comparison, which is codified using the reward associated to the task execution. As an evolution of the previous study, this process is generalized to a set of sequential behaviors, which are executed by the robot based on human demonstrations. Afterwards, the execution of postural movements using a robust control approach is proposed. This method allows to control the desired trajectory even with mismatches in the robot model. Finally, an architecture that encompasses all methods of postural planning and control is presented. It is complemented by an environment recognition module that identifies the free space in order to perform path planning and generate safe movements for the robot. The experimental justification of this thesis was developed using the humanoid robot HOAP-3. Tasks such as walking, standing up from a chair, dancing or opening a door have been implemented using the techniques proposed in this work.Esta tesis aborda el problema de la planificación y control de tareas complejas de un robot humanoide desde el punto de vista postural. Viene motivada por el auge de la robótica en la sociedad actual, donde ya se están incorporando robots sencillos y su objetivo es avanzar en el desarrollo de comportamientos complejos en robots humanoides, para que en el futuro sean capaces de compartir nuestro entorno. El trabajo presenta diferentes contribuciones en las áreas de control postural de robots humanoides, planificación de comportamientos, control no lineal, aprendizaje por demostración y aprendizaje por refuerzo. En primer lugar se desarrollan un conjunto de métodos y formulaciones matemáticas sobre los que se sustenta la tesis, describiendo conceptos de modelado de robots humanoides, generación de trayectorias de locomoción y generación de trayectorias del cuerpo completo. A continuación se estudia el proceso de aprendizaje humano, para desarrollar un novedoso método de transferencia de una tarea postural de un humano a un robot, usando como métrica de comparación el objetivo de la acción demostrada, que es codificada a través del refuerzo asociado a la ejecución de dicha tarea. Como evolución del trabajo anterior, se generaliza este proceso para la realización de un conjunto de comportamientos secuenciales, que son de nuevo realizados por el robot basándose en las demostraciones de un ser humano. Seguidamente se estudia la ejecución de movimientos posturales utilizando un método de control robusto ante imprecisiones en el modelado del robot. Para analizar, se presenta una arquitectura que aglutina los métodos de planificación y el control postural desarrollados en los capítulos anteriores. Esto se complementa con un módulo de reconocimiento del entorno y extracción del espacio libre para poder planificar y generar movimientos seguros en dicho entorno. La justificación experimental de la tesis se ha desarrollado con el robot humanoide HOAP-3. En este robot se han implementado tareas como caminar, levantarse de una silla, bailar o abrir una puerta. Todo ello haciendo uso de las técnicas propuestas en este trabajo.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Manuel Ángel Armada Rodríguez.- Secretario: Luis Santiago Garrido Bullón.- Vocal: Sylvain Calino

Locomotion through morphology, evolution and learning for legged and limbless robots

Mención Internacional en el título de doctorRobot locomotion is concerned with providing autonomous locomotion capabilities to mobile robots. Most current day robots feature some form of locomotion for navigating in their environment. Modalities of robot locomotion includes: (i) aerial locomotion, (ii) terrestrial locomotion, and (iii) aquatic locomotion (on or under water). Three main forms of terrestrial locomotion are, legged locomotion, limbless locomotion and wheel-based locomotion. A Modular Robot (MR), on the other hand, is a robotic system composed of several independent unit modules, where, each module is a robot by itself. The objective in this thesis is to develop legged locomotion in a humanoid robot, as well as, limbless locomotion in modular robotic configurations. Taking inspiration from biology, robot locomotion from the perspective of robot’s morphology, through evolution, and through learning are investigated in this thesis. Locomotion is one of the key distinguishing characteristics of a zoological organism. Almost all animal species, and even some plant species, produce some form of locomotion. In the past few years, robots have been “moving out” of the factory floor and research labs, and are becoming increasingly common in everyday life. So, providing stable and agile locomotion capabilities for robots to navigate a wide range of environments becomes pivotal. Developing locomotion in robots through biologically inspired methods, also facilitates furthering our understanding on how biological processes may function. Connected modules in a configuration, exert force on each other as a result of interaction between each other and their environment. This phenomenon is studied and quantified, and then used as implicit communication between robot modules for producing locomotion coordination in MRs. Through this, a strong link between robot morphology and the gait that emerge in it is established. A variety of locomotion controller, some periodic-function based and some morphology based, are developed for MR locomotion and bipedal gait generation. A hybrid Evolutionary Algorithm (EA) is implemented for evolving gaits, both in simulation as well as in the real-world on a physical modular robotic configuration. Limbless gaits in MRs are also learnt by learning optimal control policies, through Reinforcement Learning (RL).En robótica, la locomoción trata de proporcionar capacidades de locomoción autónoma a robots móviles. La mayoría de los robots actuales tiene alguna forma de locomoción para navegar en su entorno. Los modos de locomoción robótica se pueden repartir entre: (i) locomoción aérea, (ii) locomoción terrestre, y (iii) locomoción acuática (sobre o bajo el agua). Las tres formas básicas de locomoción terrestre son la locomoción mediante piernas, la locomoción sin miembros, y la locomoción basada en ruedas. Un Robot Modular, por otra parte, es un sistema robótico compuesto por varios módulos independientes, donde cada módulo es un robot en sí mismo. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de la locomoción mediante piernas para un robot humanoide, así como el de la locomoción sin miembros para varias configuraciones de robots modulares. Inspirándose en la biología, también se investiga en esta tesis el desarrollo de la locomoción del robot según su morfología, gracias a técnicas de evolución y de aprendizaje. La locomoción es una de las características distintivas de un organismo zoológico. Casi todas las especies animales, e incluso algunas especies de plantas, poseen algún tipo de locomoción. En los últimos años, los robots han “migrado” desde las fábricas y los laboratorios de investigación, y se están integrando cada vez más en nuestra vida diaria. Por estas razones, es crucial proporcionar capacidades de locomoción estables y ágiles a los robots para que puedan navegar por todo tipo de entornos. El uso de métodos de inspiración biológica para alcanzar esta meta también nos ayuda a entender mejor cómo pueden funcionar los procesos biológicos equivalentes. En una configuración de módulos conectados, puesto que cada uno interacciona con su entorno, los módulos ejercen fuerza los unos sobre los otros. Este fenómeno se ha estudiado y cuantificado, y luego se ha usado como comunicación implícita entre los módulos para producir la coordinación en la locomoción de este robot. De esta manera, se establece un fuerte vínculo entre la morfología de un robot y el modo de andar que este desarrolla. Se han desarrollado varios controladores de locomoción para robots modulares y robots bípedos, algunos basados en funciones periódicas, otros en la morfología del robot. Un algoritmo evolutivo híbrido se ha implementado para la evolución de locomociones, tanto en simulación como en el mundo real en una configuración física de robot modular. También se pueden generar locomociones sin miembros para robots modulares, determinando las políticas de control óptimo gracias a técnicas de aprendizaje por refuerzo. Se presenta en primer lugar en esta tesis el estado del arte de la robótica modular, enfocándose en la locomoción de robots modulares, los controladores, la locomoción bípeda y la computación morfológica. A continuación se describen cinco configuraciones diferentes de robot modular que se utilizan en esta tesis, seguido de cuatro controladores de locomoción. Estos controladores son el controlador heterogéneo, el controlador basado en funciones periódicas, el controlador homogéneo y el controlador basado en la morfología del robot. Se desarrolla como parte de este trabajo un controlador de locomoción lineal, periódico, basado en features, para la locomoción bípeda de robots humanoides. Los parámetros de control se ajustan primero a mano para reproducir un modelo cart-table, y el controlador se evalúa en un robot humanoide simulado. A continuación, gracias a un algoritmo evolutivo, la optimización de los parámetros de control permite desarrollar una locomoción sin modelo predeterminado. Se desarrolla como parte de esta tesis un enfoque sobre algoritmos de Embodied Evolución, en otras palabras el uso de robots modulares físicos en la fase de evolución. La implementación material, la configuración experimental, y el Algoritmo Evolutivo implementado para Embodied Evolución, se explican detalladamente. El trabajo también incluye una visión general de las técnicas de aprendizaje por refuerzo y de los Procesos de Decisión de Markov. A continuación se presenta un algoritmo popular de aprendizaje por refuerzo, llamado Q-Learning, y su adaptación para aprender locomociones de robots modulares. Se proporcionan una implementación del algoritmo de aprendizaje y la evaluación experimental de la locomoción generada.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Antonio Barrientos Cruz.- Secretario: Luis Santiago Garrido Bullón.- Vocal: Giuseppe Carbon

Stabilizer architecture for humanoid robots collaborating with humans

Hoy en día, los avances en las tecnologías de información y comunicación permiten el uso de robots como compañeros en las actividades con los seres humanos. Mientras que la mayoría de las investigaciones existentes se dedica a la interacción entre humanos y robots, el marco de esta investigación está centrado en el uso de robots como agentes de colaboración. En particular, este estudio está dedicado a los robots humanoides que puedan ayudar a la gente en varias tareas en entornos de trabajo. Los robots humanoides son sin duda los m as adecuados para este tipo de situaciones: pueden usar las mismas herramientas que los seres humanos y son lo m as probablemente aceptados por ellos. Después de explicar las ventajas de las tareas de colaboración entre los humanos y los robots y las diferencias con respecto a los sistemas de interacción y de teleoperación, este trabajo se centra en el nivel de las tecnologías que es necesario para lograr ese objetivo. El problema más complicado en el control de humanoides es el balance de la estructura. Este estudio se centra en técnicas novedosas para la estimación de la actitud del robot, que se utilizarán para el control. El control del robot se basa en un modelo muy conocido y simplificado: el péndulo invertido. Este modelo permite tener un control en tiempo real sobre la estructura, mientras que esté sometida a fuerzas externas / disturbios. Trayectorias suaves para el control de humanoides se han propuesto y probado en plataformas reales: éstos permiten reducir los impactos del robot con su entorno. Finalmente, el estudio extiende estos resultados a una contribución para la arquitectura de colaboración humano-humanoide. Dos tipos de colaboraciones humano humanoide se analizan: la colaboración física, donde robots y humanos comparten el mismo espacio y tienen un contacto físico (o por medio de un objeto), y una colaboración a distancia, en la que el ser humano está relativamente lejos del robot y los dos agentes colaboran por medio de una interfaz. El paradigma básico de esta colaboración robótica es: lo que es difícil (o peligroso) para el ser humano se hace por medio del robot y lo que es difícil para el robot lo puede mejor hacer el humano. Es importante destacar que el contexto de los experimentos no se basa en una unica plataforma humanoide; por el contrario, tres plataformas han sido objeto de los experimentos: se han empleado los robots HOAP-3, HRP-2 y TEO. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Nowadays, the advances in information and communication technologies permit the use of robots as companions in activities with humans. While most of the existing research is dedicated to the interaction between humans and robots, the framework of this research is the use of robots as collaborative agents. In particular, this study is dedicated to humanoid robots which should assist people in several tasks in working environments. Humanoid robots are certainly the most adequate for such situations: they can use the same tools as humans and are most likely accepted by them. After explaining the advantages of collaborative tasks among humans and robots and the differences with respect to interaction and teleoperation systems, this work focuses on the level of technologies which is necessary in order to achieve such a goal. The most complicated problem in humanoid control is the structure balance. This study focuses in novel techniques in the attitude estimation of the robot, to be used for the control. The control of the robot is based on a very well-known and simplified model: the double inverted pendulum. This model permits having a real-time control on the structure while submitted to external forces/disturbances. The control actions are strongly dependent on the three stability regions, which are determined by the position of the ZMP in the support polygon. Smooth trajectories for the humanoid control have been proposed and tested on real platforms: these permit reducing the impacts of the robot with its environment. Finally, the study extends these results to a contribution for human-humanoid collaboration architecture. Two types of human-humanoid collaborations are analyzed: a physical collaboration, where robot and human share the same space and have a physical contact (or by means of an object), and a remote collaboration, in which the human is relatively far away from the robot and the two agents collaborate using an interface. The basic paradigm for this robotic collaboration is: what is difficult (or dangerous) for the human is done by the robot and what is difficult for the robot is better done by the human. Importantly, the testing context is not based on a single humanoid platform; on the contrary, three platforms have been object of the experiments: the Hoap-3, HRP-2 and HRP2 robot have been employed

Contact modeling as applied to the dynamic simulation of legged robots

The recent studies in robotics tend to develop legged robots to perform highly dynamic movement on rough terrain. Before implementing on robots, the reference generation and control algorithms are preferably tested in simulation and animation environments. For simulation frameworks dedicated to the test of legged locomotion, the contact modeling is of pronounced signi cance. Simulation requires a correct contact model for obtaining realistic results. Penalty based contact modeling is a popular approach that de nes contact as a spring - damper combination. This approach is simple to implement. However, penetration is observed in this model. Interpenetration of simulated objects results in less than ideal realism. In contrast to penalty based method, exact contact model de nes the constraints of contact forces and solves them by using analytical methods. In this thesis, a quadruped robot is simulated with exact contact model. The motion of system is solved by the articulated body method (ABM). This algorithm has O(n) computational complexity. The ABM is employed to avoid calculation of the inverse of matrices. The contact is handled as a linear complementarity problem and solved by using the projected Gauss Seidel algorithm. Joint and contact friction terms consisting of viscous and Coulomb friction components are implemented