Biped robot walking control on inclined planes with fuzzy parameter adaptation

The bipedal structure is suitable for a robot functioning in the human environment, and assuming assistive roles. However, the bipedal walk is a poses a difficult control problem. Walking on even floor is not satisfactory for the applicability of a humanoid robot. This paper presents a study on bipedal walk on inclined planes. A Zero Moment Point (ZMP) based reference generation technique is employed. The orientation of the upper body is adjusted online by a fuzzy logic system to adapt to different walking surface slopes. This system uses a sampling time larger than the one of the joint space position controllers. A newly defined measure of the oscillatory behavior of the body pitch angle and the average value of the pelvis pitch angle are used as inputs to the fuzzy adaptation system. A 12-degrees-of-freedom (DOF) biped robot model is used in the full-dynamics 3-D simulations. Simulations are carried out on even floor and inclined planes with different slopes. The results indicate that the fuzzy adaptation algorithms presented are successful in enabling the robot to climb slopes of 5.6 degrees (10 percent)

Linear inverted pendulum model and swing leg dynamics in biped robot walking trajectory generation

Expectations of people and researchers from robotics have changed in the last four decades. Although robots are used to play their roles in the industrial environment, they are anticipated to meet social demands of people in daily life. Therefore, the interest in humanoid robotics has been increasing day by day. Their use for elderly care, human assistance, rescue, hospital attendance and many other purposes is suggested due to their adaptability and human like structure. Biped reference trajectory generation is a challenging task as well as control owing to the instability trend, non-linear robot dynamics and high number of degrees of freedom. Hence, the generated reference trajectories have to be followed with minimum control interference. Linear Inverted Pendulum Model (LIPM) is used to meet this demand which assumes the body as a falling point mass connected to the ground with a massless rod. The Zero Moment Point (ZMP) is a stability criterion for legged robots which provides a more powerful, stable reference generation. With the assistance of this methodology, advanced Linear Inverted Pendulum Models are implemented. This thesis aims to improve the applicability of the versatile and computationally effective LIPM based reference generation approach for the robots with heavy legs. It proposes a swing-leg gravity compensation technique based on a two-mass linear inverted pendulum model which is simulated on a discrete state space model. LIPM modeling is implemented by switching between one-mass and two-mass models during double support and single support phases, respectively. The joint trajectories are then obtained by inverse kinematics and PID controllers are employed independently at joint level for locomotion. The effectiveness of the generated reference trajectories is verified by simulation. The reference generation and control algorithm is tested with a 3-D full dynamic simulator on the model of a 12 DOF biped robot. Results indicate better performance of the one-mass-twomass switching LIPM over the one-mass LIPM

Bipedal humanoid robot control by fuzzy adjustment of the reference walking plane

The two-legged humanoid structure has advantages for an assistive robot in the human living and working environment. A bipedal humanoid robot can avoid typical obstacles at homes and offices, reach consoles and appliances designed for human use and can be carried in human transport vehicles. Also, it is speculated that the absorption of robots in the human shape into the human society can be easier than that of other artificial forms. However, the control of bipedal walk is a challenge. Walking performance on solely even floor is not satisfactory. The complications of obtaining a balanced walk are dramatically more pronounced on uneven surfaces like inclined planes, which are quite commonly encountered in human surroundings. The difficulties lie in a variety of tasks ranging from sensor and data fusion to the design of adaptation systems which respond to changing surface conditions. This thesis presents a study on bipedal walk on inclined planes with changing slopes. A Zero Moment Point (ZMP) based gait synthesis technique is employed. The pitch angle reference for the foot sole plane −as expressed in a coordinate frame attached at the robot body − is adjusted online by a fuzzy logic system to adapt to different walking surface slopes. Average ankle pitch torques and the average value of the body pitch angle, computed over a history of a predetermined number of sampling instants, are used as the inputs to this system. The proposed control method is tested via walking experiments with the 29 degreesof- freedom (DOF) human-sized full-body humanoid robot SURALP (Sabanci University Robotics Research Laboratory Platform). Experiments are performed on even floor and inclined planes with different slopes. The results indicate that the approach presented is successful in enabling the robot to stably enter, ascend and leave inclined planes with 15 percent (8.5 degrees) grade. The thesis starts with a terminology section on bipedal walking and introduces a number of successful humanoid robot projects. A survey of control techniques for the walk on uneven surfaces is presented. The design and construction of the experimental robotic platform SURALP is discussed with the mechanical, electronic, walking reference generation and control aspects. The fuzzy reference adjustment system proposed for the walk on inclined planes is detailed and experimental results are presented

Humanoid robot walking control on inclined planes

The humanoid bipedal structure is suitable for a assitive robot functioning in the human environment. However, the bipedal walk is a difficult control problem. Walking just on even floor is not satisfactory for the applicability of a humanoid robot. This paper presents a study on bipedal walk on inclined planes. A Zero Moment Point (ZMP) based reference generation technique is employed. The orientation of the feet is adjusted online by a fuzzy logic system to adapt to different walking surface slopes. This system uses a sampling time larger than the one of the joint space position controllers. The average value of the body pitch angle is used as the inputs to the fuzzy logic system. A foot pitch orientation compensator implemented independently for the two feet complements the fuzyy controller. A 12-degrees-of-freedom (DOF) biped robot model is used in the full-dynamics 3-D simulations. Simulations are carried out on even floor and inclined planes with different slopes. The results indicate that the control method presented is successful in enabling the robot to climb slopes of 8.5 degrees (15 percent grade)

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 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

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

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