Walking trajectory generation & control of the humanoid robot: suralp

In recent years, the operational area of the robots started to extend and new functionalities are planned for them in our daily environments. As the human-robot interaction is being improved, the robots can provide support in elderly care, human assistance, rescue, hospital attendance and many other areas. With this motivation, an intensive research is focused around humanoid robotics in the last four decades. However, due to the nonlinear dynamics of the robot and high number of degrees of freedom, the robust balance of the bipedal walk is a challenging task. Smooth trajectory generation and online compensation methods are necessary to achieve a stable walk. In this thesis, Cartesian foot position references are generated as periodic functions with respect to a body-fixed coordinate frame. The online adjustment of these parameterized trajectories provides an opportunity in tuning the walking parameters without stopping the robot. The major contribution of this thesis in the context of trajectory generation is the smoothening of the foot trajectories and the introduction of ground push motion in the vertical direction. This pushing motion provided a dramatic improvement in the stability of the walking. Even though smooth foot reference trajectories are generated using the parameter based functions, the realization of a dynamically stable walk and maintenance of the robot balance requires walking control algorithms. This thesis introduces various control techniques to cope with disturbances or unevenness of the walking environment and compensate the mismatches between the planned and the actual walking based on sensory feedback. Moreover, an automatic homing procedure is proposed for the adjustment of the initial posture before the walking experiments. The presented control algorithms include ZMP regulation, foot orientation control, trunk orientation control, foot pitch torque difference compensation, body pitch angle correction, ground impact compensation and early landing modification. The effectiveness of the proposed trajectory generation and walking control algorithms is tested on the humanoid robot SURALP and a stable walk is achieved

Study on a bipedal walking robot that adapts to real-world obstacles and changing terrains

制度:新 ; 報告番号:甲3056号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2010/3/15 ; 早大学位記番号:新531

Особенности решения уравнений метода обратной задачи для синтеза устойчивого управляемого движения шагающих роботов

The problem of walking robots controlled motion synthesis by the inverse dynamic method is considered. The inverse dynamic method equations are represented by the methods of multibody system dynamics as free bodies motion equations and constraint equations. The variety of constraint equations group are introduced to specify the robot gait, to implement the robot stability conditions and to coordinate specified robot links movement. The key feature of the inverse dynamic method equations in this formulation is the presence of the second derivatives of the system coordinates in the constraint equations expressing the stability conditions that ensure the maintenance of the vertical position by the robot. The determined solution of such equations in general case is impossible due to the uncertainty of the initial conditions for the Lagrange multipliers. An approximate method for solving the inverse dynamic without taking into account the inertial components in the constraint equations that determine the stability of the robot is considered. Constraint equations that determine the coordinate movement of individual robot links and required for unique problem solving based on approximate equations are presented. The implementation of program motion synthesis methods in the control system of the humanoid robot AR-600 is presented. The comparison of theoretical and experimental parameters of controlled motion is performed. It has been established that with the achieved high accuracy of the robot links tracking drives control with an error of several percent, the indicators of the robot's absolute movements, in particular, the angles of roll, yaw and pitch, differ from the programmed by 30-40%. It’s shown that proposed method allows to synthesize robot control in quasistatic mode for different movement types such as moving forward, sideways, walking on stairs, inclinations etc.Рассматривается задача синтеза управляемого движения шагающих роботов методом обратной задачи. Уравнения метода обратной задачи представляются с помощью методов динамики связанных систем тел, как уравнения движения свободных тел и уравнения связей. Введены различные группы уравнений связей — для задания походки робота, для выполнения условий устойчивости робота и для согласованного движения заданных звеньев робота. Ключевая особенность уравнений метода обратной задачи в такой постановке состоит в наличии вторых производных координат системы в уравнениях связей, обеспечивающих поддержание роботом вертикального положения. Однозначное решение таких уравнений в общем случае невозможно из-за неопределенности начальных условий для множителей Лагранжа. Рассмотрен приближенный метод решения обратной задачи без учета инерционных составляющих в уравнениях связей, определяющих устойчивость робота. Выписаны уравнения связей, которые определяют согласованное движение отдельных звеньев робота и необходимые для однозначного решения задачи на основе приближенных уравнений. Представлена реализация методов синтеза программного движения в системе управления робота андроида АР600. Выполнено сравнение теоретических и экспериментальных показателей управляемого движения. Установлено, что при достигнутой высокой точности управления следящими приводами относительными движениями звеньев робота с погрешностью несколько процентов, показатели абсолютных движений робота, в частности, углы крена, рыскания и тангажа, отличаются от программных на 30-40%. Показано, что предложенный метод позволяет синтезировать управление роботом в квазистатическом режиме для различных типов движений — вперед, вбок, движение по ступенькам, наклоны и так далее

Bipedal humanoid robot walking reference tuning by the use of evolutionary algorithms

Various aspects of humanoid robotics attracted the attention of researchers in the past four decades. One of the most challenging tasks in this area is the control of bipedal locomotion. The dynamics involved are highly nonlinear and hard to stabilize. A typical fullbody humanoid robot has more than twenty joints and the coupling effects between the links are significant. Reference generation plays a vital role for the success of the walking controller. Stability criteria including the Zero Moment Point (ZMP) criterion are extensively applied for this purpose. However, the stability criteria are usually applied on simplified models like the Linear Inverted Pendulum Model (LIPM) which only partially describes the equations of the motion of the robot. There are also trial and error based techniques and other ad-hoc reference generation techniques as well. This background of complicated dynamics and difficulties in reference generation makes automatic gait (step patterns of legged robots) tuning an interesting area of research. A natural command for a legged robot is the velocity of its locomotion. A number of walk parameters including temporal and spatial variables like stepping period and step size need to be set properly in order to obtain the desired speed. These problems, when considered from kinematics point of view, do not have a unique set of walking parameters as a solution. However, some of the solutions can be more suitable for a stable walk, whereas others may lead to instability and cause robot to fall. This thesis proposes a gait tuning method based on evolutionary methods. A velocity command is given as the input to the system. A ZMP based reference generation method is employed. Walking simulations are performed to assess the fitness of artificial populations. The fitness is measured by the amount of support the simulated bipedal robot received from torsional virtual springs and dampers opposing the changes in body orientation. Cross-over and mutation mechanisms generate new populations. A number of different walking parameters and fitness functions are tested to improve this tuning process. The walking parameters obtained in simulations are applied to the experimental humanoid platform SURALP (Sabanci University ReseArch Labaratory Platform). Experiments verify the merits of the proposed reference tuning method

Особенности решения уравнений метода обратной задачи для синтеза устойчивого управляемого движения шагающих роботов

Рассматривается задача синтеза управляемого движения шагающих роботов методом обратной задачи. Уравнения метода обратной задачи представляются с помощью методов динамики связанных систем тел, как уравнения движения свободных тел и уравнения связей. Введены различные группы уравнений связей — для задания походки робота, для выполнения условий устойчивости робота и для согласованного движения заданных звеньев робота. Ключевая особенность уравнений метода обратной задачи в такой постановке состоит в наличии вторых производных координат системы в уравнениях связей, обеспечивающих поддержание роботом вертикального положения. Однозначное решение таких уравнений в общем случае невозможно из-за неопределенности начальных условий для множителей Лагранжа. Рассмотрен приближенный метод решения обратной задачи без учета инерционных составляющих в уравнениях связей, определяющих устойчивость робота. Выписаны уравнения связей, которые определяют согласованное движение отдельных звеньев робота и необходимые для однозначного решения задачи на основе приближенных уравнений. Представлена реализация методов синтеза программного движения в системе управления робота андроида АР600. Выполнено сравнение теоретических и экспериментальных показателей управляемого движения. Установлено, что при достигнутой высокой точности управления следящими приводами относительными движениями звеньев робота с погрешностью несколько процентов, показатели абсолютных движений робота, в частности, углы крена, рыскания и тангажа, отличаются от программных на 30-40%. Показано, что предложенный метод позволяет синтезировать управление роботом в квазистатическом режиме для различных типов движений — вперед, вбок, движение по ступенькам, наклоны и так далее