Multi-contact Walking Pattern Generation based on Model Preview Control of 3D COM Accelerations

We present a multi-contact walking pattern generator based on preview-control of the 3D acceleration of the center of mass (COM). A key point in the design of our algorithm is the calculation of contact-stability constraints. Thanks to a mathematical observation on the algebraic nature of the frictional wrench cone, we show that the 3D volume of feasible COM accelerations is a always a downward-pointing cone. We reduce its computation to a convex hull of (dual) 2D points, for which optimal O(n log n) algorithms are readily available. This reformulation brings a significant speedup compared to previous methods, which allows us to compute time-varying contact-stability criteria fast enough for the control loop. Next, we propose a conservative trajectory-wide contact-stability criterion, which can be derived from COM-acceleration volumes at marginal cost and directly applied in a model-predictive controller. We finally implement this pipeline and exemplify it with the HRP-4 humanoid model in multi-contact dynamically walking scenarios

Nonlinear Model Predictive Control for Motion Generation of Humanoids

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Entwicklung numerischer Methoden zur Bewegungserzeugung von humanoiden Robotern basierend auf nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung. Ausgehend von der Modellierung der Humanoiden als komplexe Mehrkörpermodelle, die sowohl durch unilaterale Kontaktbedingungen beschränkt als auch durch die Formulierung unteraktuiert sind, wird die Bewegungserzeugung als Optimalsteuerungsproblem formuliert. In dieser Arbeit werden numerische Erweiterungen basierend auf den Prinzipien der Automatischen Differentiation für rekursive Algorithmen, die eine effiziente Auswertung der dynamischen Größen der oben genannten Mehrkörperformulierung erlauben, hergeleitet, sodass sowohl die nominellen Größen als auch deren ersten Ableitungen effizient ausgewertet werden können. Basierend auf diesen Ideen werden Erweiterungen für die Auswertung der Kontaktdynamik und der Berechnung des Kontaktimpulses vorgeschlagen. Die Echtzeitfähigkeit der Berechnung von Regelantworten hängt stark von der Komplexität der für die Bewegungerzeugung gewählten Mehrkörperformulierung und der zur Verfügung stehenden Rechenleistung ab. Um einen optimalen Trade-Off zu ermöglichen, untersucht diese Arbeit einerseits die mögliche Reduktion der Mehrkörperdynamik und andererseits werden maßgeschneiderte numerische Methoden entwickelt, um die Echtzeitfähigkeit der Regelung zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit werden hierfür zwei reduzierte Modelle hergeleitet: eine nichtlineare Erweiterung des linearen inversen Pendelmodells sowie eine reduzierte Modellvariante basierend auf der centroidalen Mehrkörperdynamik. Ferner wird ein Regelaufbau zur GanzkörperBewegungserzeugung vorgestellt, deren Hauptbestandteil jeweils aus einem speziell diskretisierten Problem der nichtlinearen modell-prädiktiven Regelung sowie einer maßgeschneiderter Optimierungsmethode besteht. Die Echtzeitfähigkeit des Ansatzes wird durch Experimente mit den Robotern HRP-2 und HeiCub verifiziert. Diese Arbeit schlägt eine Methode der nichtlinear modell-prädiktiven Regelung vor, die trotz der Komplexität der vollen Mehrkörperformulierung eine Berechnung der Regelungsantwort in Echtzeit ermöglicht. Dies wird durch die geschickte Kombination von linearer und nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung auf der aktuellen beziehungsweise der letzten Linearisierung des Problems in einer parallelen Regelstrategie realisiert. Experimente mit dem humanoiden Roboter Leo zeigen, dass, im Vergleich zur nominellen Strategie, erst durch den Einsatz dieser Methode eine Bewegungserzeugung auf dem Roboter möglich ist. Neben Methoden der modell-basierten Optimalsteuerung werden auch modell-freie Methoden des verstärkenden Lernens (Reinforcement Learning) für die Bewegungserzeugung untersucht, mit dem Fokus auf den schwierig zu modellierenden Modellunsicherheiten der Roboter. Im Rahmen dieser Arbeit werden eine allgemeine vergleichende Studie sowie Leistungskennzahlen entwickelt, die es erlauben, modell-basierte und -freie Methoden quantitativ bezüglich ihres Lösungsverhaltens zu vergleichen. Die Anwendung der Studie auf ein akademisches Beispiel zeigt Unterschiede und Kompromisse sowie Break-Even-Punkte zwischen den Problemformulierungen. Diese Arbeit schlägt basierend auf dieser Grundlage zwei mögliche Kombinationen vor, deren Eigenschaften bewiesen und in Simulation untersucht werden. Außerdem wird die besser abschneidende Variante auf dem humanoiden Roboter Leo implementiert und mit einem nominellen modell-basierten Regler verglichen

Robots that look like humans : a brief look into humanoid robotics

This article provides a brief overview of the technology of humanoid robots. First, historical development and hardware progress are presented mainly on human-size full-body biped humanoid robots, together with progress in pattern generation of biped locomotion. Then, «whole-body motion» ? coordinating leg and arm movements to fully leverage humanoids? high degrees of freedom ? is presented, followed by its applications in fields such as device evaluation and large-scale assembly. Upper-body humanoids with a mobile base, which are mainly utilized for research on human-robot interaction and cognitive robotics, are also introduced before addressing current issues and perspectives

From walking to running: robust and 3D humanoid gait generation via MPC

Humanoid robots are platforms that can succeed in tasks conceived for humans. From locomotion in unstructured environments, to driving cars, or working in industrial plants, these robots have a potential that is yet to be disclosed in systematic every-day-life applications. Such a perspective, however, is opposed by the need of solving complex engineering problems under the hardware and software point of view. In this thesis, we focus on the software side of the problem, and in particular on locomotion control. The operativity of a legged humanoid is subordinate to its capability of realizing a reliable locomotion. In many settings, perturbations may undermine the balance and make the robot fall. Moreover, complex and dynamic motions might be required by the context, as for instance it could be needed to start running or climbing stairs to achieve a certain location in the shortest time. We present gait generation schemes based on Model Predictive Control (MPC) that tackle both the problem of robustness and tridimensional dynamic motions. The proposed control schemes adopt the typical paradigm of centroidal MPC for reference motion generation, enforcing dynamic balance through the Zero Moment Point condition, plus a whole-body controller that maps the generated trajectories to joint commands. Each of the described predictive controllers also feature a so-called stability constraint, preventing the generation of diverging Center of Mass trajectories with respect to the Zero Moment Point. Robustness is addressed by modeling the humanoid as a Linear Inverted Pendulum and devising two types of strategies. For persistent perturbations, a way to use a disturbance observer and a technique for constraint tightening (to ensure robust constraint satisfaction) are presented. In the case of impulsive pushes instead, techniques for footstep and timing adaptation are introduced. The underlying approach is to interpret robustness as a MPC feasibility problem, thus aiming at ensuring the existence of a solution for the constrained optimization problem to be solved at each iteration in spite of the perturbations. This perspective allows to devise simple solutions to complex problems, favoring a reliable real-time implementation. For the tridimensional locomotion, on the other hand, the humanoid is modeled as a Variable Height Inverted Pendulum. Based on it, a two stage MPC is introduced with particular emphasis on the implementation of the stability constraint. The overall result is a gait generation scheme that allows the robot to overcome relatively complex environments constituted by a non-flat terrain, with also the capability of realizing running gaits. The proposed methods are validated in different settings: from conceptual simulations in Matlab to validations in the DART dynamic environment, up to experimental tests on the NAO and the OP3 platforms

Transport collaboratif d'une charge par un couple humain-robot

Les robots humanoïdes sont particulièrement adaptés à collaborer avec des humains. En effet, leur ressemblance avec l'être humain facilite leur acceptation sociale, et leur structure bipède les aide à fonctionner dans des environements conçus pour les humains. Par contre, cette même structure les rend instables et diffcile à contrôler, particulièrement lors d'interactions physiques avec d'autres acteurs. Ce projet de recherche s'attarde au contrôle de robots humanoïdes impliqués dans de telles tâches collaboratives. On s'intéresse plus particulièrement au transport d'objets lourds par un robot humanoïde et un humain. Pour ce faire, un modèle dynamique simplifié prenant en compte la dynamique de la tâche à accomplir ainsi que les forces appliquées sur le robot est proposé. Celui-ci permet une intégration directe de la compliance des bras et l'utilisation de contraintes dynamiques sur les forces d'interactions. Ce modèle est implémenté à l'aide d'un contrôleur de type Model Predictive Control. Un robot humanoïde de taille humaine (HRP-4) et un robot humanoïde de petite taille (NAO) ont été utilisés en simulation pour montrer les performances et la polyvalence de la méthode proposée, chacun transportant collaborativement des charges surpassant leur masse respective

Integration of vertical COM motion and angular momentum in an extended Capture Point tracking controller for bipedal walking

In this paper, we demonstrate methods for bipedal walking control based on the Capture Point (CP) methodology. In particular, we introduce a method to intuitively derive a CP reference trajectory from the next three steps and extend the linear inverted pendulum (LIP) based CP tracking controller introduced in [1], generalizing it to a model that contains vertical CoM motions and changes in angular momentum. Respecting the dynamics of general multibody systems, we propose a measurement-based compensation of multi-body effects, which leads to a stable closed-loop dynamics of bipedal walking robots. In addition we propose a ZMP projection method, which prevents the robots feet from tilting and ensures the best feasible CP tracking. The extended CP controller’s performance is validated in OpenHRP3 [2] simulations and compared to the controller proposed in [1]