Generation and control of locomotion patterns for biped robots by using central pattern generators

This paper presents an efficient closed-loop locomotion control system for biped robots that operates in the joint space. The robot’s joints are directly driven through control signals generated by a central pattern generator (CPG) network. A genetic algorithm is applied in order to find out an optimal combination of internal parameters of the CPG given a desired walking speed in straight line. Feedback signals generated by the robot’s inertial and force sensors are directly fed into the CPG in order to automatically adjust the locomotion pattern over uneven terrain and to deal with external perturbations in real time. Omnidirectional motion is achieved by controlling the pelvis motion. The performance of the proposed control system has been assessed through simulation experiments on a NAO humanoid robot

Development of behaviors for a simulated humanoid robot

Mestrado em Engenharia de Computadores e TelemáticaControlar um robô bípede com vários graus de liberdade é um desafio que recebe a atenção de vários investigadores nas áreas da biologia, física, electrotecnia, ciências de computadores e mecânica. Para que um humanóide possa agir em ambientes complexos, são necessários comportamentos rápidos, estáveis e adaptáveis. Esta dissertação está centrada no desenvolvimento de comportamentos robustos para um robô humanóide simulado, no contexto das competições de futebol robótico simulado 3D do RoboCup, para a equipa FCPortugal3D. Desenvolver tais comportamentos exige o desenvolvimento de métodos de planeamento de trajectórias de juntas e controlo de baixo nível. Controladores PID foram implementados para o controlo de baixo nível. Para o planeamento de trajectórias, quatro métodos foram estudados. O primeiro método apresentado foi implementado antes desta dissertação e consiste numa sequência de funções degrau que definem o ângulo desejado para cada junta durante o movimento. Um novo método baseado na interpolação de um seno foi desenvolvido e consiste em gerar uma trajectória sinusoidal durante um determinado tempo, o que resulta em transições suaves entre o ângulo efectivo e o ângulo desejado para cada junta. Um outro método que foi desenvolvido, baseado em séries parciais de Fourier, gera um padrão cíclico para cada junta, podendo ter múltiplas frequências. Com base no trabalho desenvolvido por Sven Behnke, um CPG para locomoção omnidireccional foi estudado em detalhe e implementado. Uma linguagem de definição de comportamentos é também parte deste estudo e tem como objectivo simplificar a definição de comportamentos utilizando os vários métodos propostos. Integrando o controlo de baixo nível e os métodos de planeamento de trajectórias, vários comportamentos foram criados para permitir a uma versão simulada do humanóide NAO andar em diferentes direcções, rodar, chutar a bola, apanhar a bola (guarda-redes) e levantar do chão. Adicionalmente, a optimização e geração automática de comportamentos foi também estudada, utilizado algoritmos de optimização como o Hill Climbing e Algoritmos Genéticos. No final, os resultados são comparados com as equipas de simulação 3D que reflectem o estado da arte. Os resultados obtidos são bons e foram capazes de ultrapassar uma das três melhores equipas simuladas do RoboCup em diversos aspectos como a velocidade a andar, a velocidade de rotação, a distância da bola depois de chutada, o tempo para apanhar a bola e o tempo para levantar do chão. ABSTRACT: Controlling a biped robot with several degrees of freedom is a challenging task that takes the attention of several researchers in the fields of biology, physics, electronics, computer science and mechanics. For a humanoid robot to perform in complex environments, fast, stable and adaptable behaviors are required. This thesis is concerned with the development of robust behaviors for a simulated humanoid robot, in the scope of the RoboCup 3D Simulated Soccer Competitions, for FCPortugal3D team. Developing such robust behaviors requires the development of methods for joint trajectory planning and low-level control. PID control were implemented to achieve low-level joint control. For trajectory planning, four methods were studied. The first presented method was implemented before this thesis and consists of a sequence of step functions that define the target angle of each joint during the movement. A new method based on the interpolation of a sine function was developed and consists of generating a sinusoidal shape during some amount of time, leading to smooth transitions between the current angle and the target angle of each joint. Another method developed, based on partial Fourier Series, generates a multi-frequency cyclic pattern for each joint. This method is very flexible and allows to completely control the angular positions and velocities of the joints. Based on the work of developed by Sven Behnke, a CPG for omnidirectional locomotion was studied in detail and implemented. A behavior definition language is also part of this study and aims at simplifying the definition of behaviors using the several proposed methods. By integrating the low-level control and the trajectory planning methods, several behaviors were created to allow a simulated version of the humanoid NAO to walk in different directions, turn, kick the ball, catch the ball (goal keeper) and get up from the ground. Furthermore, the automatic generation of gaits, through the use of optimization algorithms such as hill climbing and genetic algorithms, was also studied and tested. In the end, the results are compared with the state of the art teams of the RoboCup 3D simulation league. The achieved results are good and were able to overcome one of the state of the art simulated teams of RoboCup in several aspects such as walking velocity, turning velocity, distance of the ball when kicked, time to catch the ball and the time to get up from the ground

Simulation Study on Acquisition Process of Locomotion by Using an Infant Robot

Locomotion is one of the basic functions of a mobile robot. Using legs is one of the strategies for accomplishing locomotion. The strategy allows a robot to move over rough terrain. Therefore, a considerable amount of research has been conducted on motion control of legged locomotion robots. This chapter treats the motion generation of an infant robot, wit

Controlling swimming and crawling in a fish robot using a central pattern generator

Online trajectory generation for robots with multiple degrees of freedom is still a difficult and unsolved problem, in particular for non-steady state locomotion, that is, when the robot has to move in a complex environment with continuous variations of the speed, direction, and type of locomotor behavior. In this article we address the problem of controlling the non-steady state swimming and crawling of a novel fish robot. For this, we have designed a control architecture based on a central pattern generator (CPG) implemented as a system of coupled nonlinear oscillators. The CPG, like its biological counterpart, can produce coordinated patterns of rhythmic activity while being modulated by simple control parameters. To test our controller, we designed BoxyBot, a simple fish robot with three actuated fins capable of swimming in water and crawling on firm ground. Using the CPG model, the robot is capable of performing and switching between a variety of different locomotor behaviors such as swimming forwards, swimming backwards, turning, rolling, moving upwards/downwards, and crawling. These behaviors are triggered and modulated by sensory input provided by light, water, and touch sensors. Results are presented demonstrating the agility of the robot and interesting properties of a CPG-based control approach such as stability of the rhythmic patterns due to limit cycle behavior, and the production of smooth trajectories despite abrupt changes of control parameters. The robot is currently used in a temporary 20-month long exhibition at the EPFL. We present the hardware setup that was designed for the exhibition, and the type of interactions with the control system that allow visitors to influence the behavior of the robot. The exhibition is useful to test the robustness of the robot for long term use, and to demonstrate the suitability of the CPG-based approach for interactive control with a human in the loop. This article is an extended version of an article presented at BioRob2006 the first IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronic

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