Trajectory generation with natural ZMP references for the biped walking robot SURALP

Bipedal locomotion has good obstacle avoidance properties. A robot with human appearance has advantages in human-robot communication. However, walking control is difficult due to the complex robot dynamics involved. Stable reference generation is significant in walking control. The Linear Inverted Pendulum Model (LIPM) and the Zero Moment Point (ZMP) criterion are applied in a number of studies for stable walking reference generation of biped robots. This is the main route of reference generation in this paper too. We employ a natural and continuous ZMP reference trajectory for a stable and human-like walk. The ZMP reference trajectories move forward under the sole of the support foot when the robot body is supported by a single leg. Robot center of mass (CoM) trajectory is obtained from predefined ZMP reference trajectories by Fourier series approximation. We reported simulation results with this algorithm in our previous works. This paper presents the first experimental results. Also the use of a ground push phase before foot take-offs reported in our previous works is tested first time together with our ZMP based reference trajectory. The reference generation strategy is tested via walking experiments on the 29 degrees-of-freedom (DOF) human sized full body humanoid robot SURALP (Sabanci University Robotics Research Laboratory Platform). Experiments indicate that the proposed reference trajectory generation technique is successful

Yay şekilli tek ayak destek SMN yörüngeleri ile insansı robot yürüme referansı sentezi

Son kırk yıldır, insansı robotlar arastırmacıların ilgisini çekmektedir. Kararsız dinamiğinden ötürü, insansı robot kontrolü zor bir görevdir. Bu zorluğa neden olan ana problemlerden biri, yürüme referansı yörüngesinin elde edilmesidir. Bu alanda, Doğrusal Ters Sarkaç Modeli (DTSM, Linear Inverted Pendulum Model) olarak bilinen referans elde etme yöntemine rastlanmaktadır. Đki ayaklı robot yürüyüsünde sıkça kullanılan kararlılık analizi olan, DTSM’ye bağlı referans elde etmenin gelistirilmis sekli, Sıfır Moment Noktası (SMN, Zero Moment Point) ölçütü uygulanarak elde edilir. Genellikle, yürüyüs sırasında SMN referansı, destek ayağının tabanı ortasında sabitlenmis olarak düsünülmektedir. İnsan yürüyüsünde ise SMN sabit kalmayıp, aksine destek ayağının altında hareket halinde olduğu için bu tür referans elde etme düsüncesi doğallıktan yoksundur. Bu bildiri, yürüyüs doğrultusuna dik ve paralel doğrultularda hareket eden tek ayak destek SMN referansları ile yürüyüs referansı elde edilmesini sunmaktadır. 12 serbestlik derecesine sahip iki ayaklı bir robot modelinin 3-boyutlu dinamik benzetimlerinde, ters kinematik tabanlı bağımsız eklem konum kontrolörü kullanılmıstır. Benzetim sonuçları, hareketli SMN referanslarının daha basarılı bir yürüyüs sağladığını göstermektedir

Yay Sekilli Tek Ayak Destek SMN Yörüngeleri ile İnsansı Robot Yürüme Referansı Sentezi

Son kırk yıldır, insansı robotlar arastırmacıların ilgisini çekmektedir. Kararsız dinamiğinden ötürü, insansı robot kontrolü zor bir görevdir. Bu zorluğa neden olan ana problemlerden biri, yürüme referansı yörüngesinin elde edilmesidir. Bu alanda, Doğrusal Ters Sarkaç Modeli (DTSM, Linear Inverted Pendulum Model) olarak bilinen referans elde etme yöntemine rastlanmaktadır. Đki ayaklı robot yürüyüsünde sıkça kullanılan kararlılık analizi olan, DTSM’ye bağlı referans elde etmenin gelistirilmis sekli, Sıfır Moment Noktası (SMN, Zero Moment Point) ölçütü uygulanarak elde edilir. Genellikle, yürüyüs sırasında SMN referansı, destek ayağının tabanı ortasında sabitlenmis olarak düsünülmektedir. İnsan yürüyüsünde ise SMN sabit kalmayıp, aksine destek ayağının altında hareket halinde olduğu için bu tür referans elde etme düsüncesi doğallıktan yoksundur. Bu bildiri, yürüyüs doğrultusuna dik ve paralel doğrultularda hareket eden tek ayak destek SMN referansları ile yürüyüs referansı elde edilmesini sunmaktadır. 12 serbestlik derecesine sahip iki ayaklı bir robot modelinin 3-boyutlu dinamik benzetimlerinde, ters kinematik tabanlı bağımsız eklem konum kontrolörü kullanılmıstır. Benzetim sonuçları, hareketli SMN referanslarının daha basarılı bir yürüyüs sağladığını göstermektedir

Ters sarkaç modeli ve salınan bacak telafisi ile oluşturulan yürüyen robot referans yörüngeleri

İki bacaklı yürüyen robotlarda referans yörüngesi olusturulması çok önemli bir problemdir. Referans yörüngesi olusturulmasını kolaylastıran Doğrusal Ters Sarkaç Modeli (DTSM) literatürde yaygın bir sekilde kullanılmaktadır. Buna ek olarak Sıfır Moment Noktası (SMN) ölçütü de kararlı referans olusturulmasında kullanılmaktadır. Ancak, DTSM tabanlı yörünge olusturma yöntemleri salınan bacak dinamiğini ihmal etmektedir. Bu durum özellikle bacaklar ağır olduğunda kararlılık açısından bir sorun teskil etmektedir. Bu bildiri, robotun gövdesinin ve salınan bacağın dinamiklerini içeren, iki noktasal ağırlıklı bir DTSM kullanmakta ve bu modeli besinci dereceden durum-uzayı denklemleri ile tanımlamaktadır. Gövde ağırlık merkezi (GAM) referans yörüngesi, önceden belirlenmis ayak merkezi ve SMN referansları kullanılarak elde edilmistir. Yürüme hareketinin sağlanması amacıyla ters kinematik tabanlı bir konum kontrolü uygulanmıstır. Tek noktasal ağırlıklı ve iki noktasal ağırlıklı Doğrusal Ters Sarkaç Modellerinin yürüyüs performansları 12 serbestlik dereceli ve iki bacaklı bir yürüyen robotun üç boyutlu tam dinamik benzetimi yardımıyla karsılastırılmıstır. Sonuçlar, robotun yürüyüs kararlılığı açısından iki noktasal yüklü modelin daha olumlu sonuçlar verdiğini göstermektedir

Ters Sarkaç Modeli ve Salınan Bacak Telafisi ile Olusturulan Yürüyen Robot Referans Yörüngeleri

Đki bacaklı yürüyen robotlarda referans yörüngesi olusturulması çok önemli bir problemdir. Referans yörüngesi olusturulmasını kolaylastıran Doğrusal Ters Sarkaç Modeli (DTSM) literatürde yaygın bir sekilde kullanılmaktadır. Buna ek olarak Sıfır Moment Noktası (SMN) ölçütü de kararlı referans olusturulmasında kullanılmaktadır. Ancak, DTSM tabanlı yörünge olusturma yöntemleri salınan bacak dinamiğini ihmal etmektedir. Bu durum özellikle bacaklar ağır olduğunda kararlılık açısından bir sorun teskil etmektedir. Bu bildiri, robotun gövdesinin ve salınan bacağın dinamiklerini içeren, iki noktasal ağırlıklı bir DTSM kullanmakta ve bu modeli besinci dereceden durum-uzayı denklemleri ile tanımlamaktadır. Gövde ağırlık merkezi (GAM) referans yörüngesi, önceden belirlenmis ayak merkezi ve SMN referansları kullanılarak elde edilmistir. Yürüme hareketinin sağlanması amacıyla ters kinematik tabanlı bir konum kontrolü uygulanmıstır. Tek noktasal ağırlıklı ve iki noktasal ağırlıklı Doğrusal Ters Sarkaç Modellerinin yürüyüs performansları 12 serbestlik dereceli ve iki bacaklı bir yürüyen robotun üç boyutlu tam dinamik benzetimi yardımıyla karsılastırılmıstır. Sonuçlar, robotun yürüyüs kararlılığı açısından iki noktasal yüklü modelin daha olumlu sonuçlar verdiğini göstermektedir

İnsansı robot SURALP için sıfır moment noktası tabanlı referans sentezi ile eğimi değişen yüzeylerde yürüme kontrolü

Bir robotun insan gibi iki bacak üzerinde yürümesi ona insanların yaşama ve çalışma ortamlarında karşılaşılan engellerden sakınabilme özelliği sağlayacaktır. İnsan şeklindeki bir robotun insanlar tarafından sosyal bir varlık olarak algılanmasının ve insanlarla işbirliğinde bulunmasının diğer şekildeki robotlara göre daha kolay olacağı düşünülmektedir. Bu görüşler özellikle son 15 yılda insansı robot araştırmalarına ivme kazanmıştır. Bununla birlikte bir insansı robotun çok sayıdaki serbestlik derecesi ve doğrusal olmayan girift dinamiği yürüme kontrolü açısından ciddi zorluklar teşkil etmektedir. Eğimi değişen yüzeyler bu kontrol problemini daha da güçleştirmektedir. İki bacaklı robot hareket kontrolünde kararlı bir yürüme referansının sentezi en az geri beslemeli denge yöntemleri kadar önem taşımaktadır. Doğrusal Ters Sarkaç Modeli (DTSM) ve Sıfır Moment Noktası (SMN) kararlılık kriterine dayanan referans sentezi yöntemlerine literatürde rastlanmaktadır. Sabancı Universitesi İnsansı Robotu SURALP için de DTSM ve SMN tabanlı bir referans sentezi yöntemi geliştirilmiş ve bu yöntemle düz zemin üzerinde elde edilen yürüme deney sonuçları yazarların daha önceki yayınlarında sunulmuştur. Bu bildiri daha önce tasarlanan referans sentez yöntemini özetlemekte ve eğimli yüzeyler üzerinde yürümeye yönelik bir kontrol yöntemini sunmaktadır. SURALP ile daha önce yapılan çalışmalardan farklı olarak eğimi değişen yüzeyler üzerinde yürüme testleri yapılmış, referans sentezi ve kontrol yöntemlerinin bu yüzeyler üzerinde yürümedeki başarımı deneysel olarak incelenmiştir

SURALP-L – İnsansı Robot Platformu Bacak Modülü

SURALP, Sabancı Üniversitesi laboratuvarlarında tasarlanmıs ve imal edilmekte olan yeni bir insansı robot platformudur. Đmalatı tamamlandığında; bacaklarında, kollarında, boynunda ve gövdesinde toplamda 30 serbestlik derecesine sahip olması planlanmaktadır. Su ana kadar bu robotun bacak modülü olan, 12 serbestlik derecesine sahip SURALP-L’nin üretimi tamamlanmıstır. Bu bildiri, bacak modülünün ve tüm robotun tasarım esaslarını anlatmaktadır. Mekanik tasarım, tahrik mekanizmaları, algılayıcılar, kontrol donanımı ve algoritmaları ele alınmıstır. Tahrik sistemleri, DC motorlara bağlanmıs kayıs kasnak mekanizmaları ve Harmonic Drive redüktör ünitelerini içermektedir. Algılama sistemi, eklem motor kodlayıcıları, kuvvet/moment algılayıcıları ve atalet algılayıcılarından olusmaktadır. Kontrol sisteminin ana kısmını, dSpace sayısal sinyal isleme modülü olusturmaktadır. Robotun kararlı yürüyüsünü sağlamak amacıyla yumusak yürüyüs referansları kullanılmıstır. Zemin darbe telafisi, erken basma referans yörüngesi iyilestirmesi, ayak yönelim kontrolü ve bağımsız eklem konum kontrolü kullanılan ana kontrol algoritmalarıdır. Bacak modülüyle elde edilen deney sonuçları bildirinin son bölümünde sunulmustur