Quadruped locomotion reference synthesis with central pattern generators tuned by evolutionary algorithms

Abstract

Robotik biliminde gerçekleşen gelişmeler sonucunda mobil robotik platformları birçok açıdan bilim adamlarının ilgisini çekmeye başlamıştır. Mobil robotik platform teknolojisi arama kurtarma çalışmalarından askeri uygulamalara kadar geniş bir alanda kullanılmaktadır.Bacaklı robotlar sahip oldukları yüksek engel aşma kabiliyetleri ile engebeli arazilerde önplana çıkmaktadırlar. Doğada, hızlı hareket etme ve tırmanma özelliklerine sahip çok sayıdadört bacaklı anatomi bulunmaktadır. Bu tezde de dört bacaklı robotların referans senteziişlenmektedir.Referans sentezi, bacaklı robotların hareket kontrolünde çok önemli bir rol oynamaktadır. Üretilen referans robot tarafından takip edilebilir olmalıdır. Üretilen referans robotu, düşmesine sebep olacak şekilde zorlamamalıdır. Dört bacaklı robotun hızının artması sonucunda hareket şeklini değiştirmesi daha verimli olabilmektedir. İyi planlanmış referans üretme yöntemi hareket geçişlerini de hesaba katmalıdır.Merkezi Örüntü Üretimi, biyolojik yapılardan esinlenilerek oluşturulmuş bir referans sentezleme yöntemidir. Dört bacaklı robotlarda diğer referans sentezleme yöntemleri ise Sıfır Moment Noktası tabanlı teknikler ve deneme yanılma metotlarıdır.Merkezi Örüntü Üretimi biyolojik yapısı sayesinde hareket geçişlerine çok uygun bir referans sentezleme yöntemidir. Yapılarındaki limit çevrim özelliği bu işleme olanak sağlamaktadır. Fakat hareket geçişlerini hesaba katan kararlı bir referans sentezi için uygun parametreler seçilmek zorundadır. Merkezi Örüntü Üretimi yönteminde uygun parametrelerielde etme işlemi zor bir görevdir. Genellikle deneme yanılma yöntemleri bu işlem için kullanılmaktadır.Bu tezde dört bacaklı robotların evrimsel algoritmalar kullanılarak yürüme referansı ayarlanması sunulmuştur. Hız komutu sisteme girdi olarak verilmiştir. Merkezi Örüntü Üretimi yöntemi ile referans sentezi, 16 serbestlik dereceli bir dört bacaklı robot için, 3 boyutlu tam dinamikli benzetim ortamında gerçekleştirilmiştir. Hareket benzetimleri yapaybir nüfusa uygunluk değerleri biçilerek gerçekleştirilmiştir. Robotun vücut oryantasyon değişikliklerine karşı etki eden sanal torsiyonal süspansiyon sistemleri uygunluk değerlerini belirlemek için kullanılmıştır. Benzetim çalışmaları sonucunda üç farklı uygunluk fonksiyonuna göre uygun parametreler elde edilmiştir. Bunlardan birincisi robotun dengesini,ikincisi robotun enerji verimliliğini ölçmektedir. Son uygunluk fonksiyonu ise diğer iki uygunluk fonksiyonunun birleşimidir. Benzetim sonuçları sunulan referans üretme yöntemi ve parametre ayarlama metodunun yararlılığını göstermektedir.

With the recent advances in sensing, actuating and communication tecnologies and in theory for control and navigation; mobile robotic platforms are seen more promising than ever.This is so for many fields ranging from search and rescue in earthquake sites to military applications.Autonomous or teleoperated land vehicles make a major class of these mobileplatforms. Legged robots, with their potential virtues in obstacle avoidance and cross-country capabilities stand out for applications on rugged terrain. In the nature, there are a lot of examples where four-legged anatomy embraces both speed and climbing characteristics. This thesis is on the locomotion reference generation of quadruped robots.Reference generation plays a vital role for the success of the locomotion controller. It involves the timing of the steps and the selection of various spatial parameters. The generated references should be suitable to be followed. They should not be over-demanding to cause the robot fall by loosing its balance. Nature tells that the pattern of the steps, that is, the gait, also changes with the speed of locomotion. A well-planned reference generation algorithm should take gait transitions into account.Central Pattern Generators (CPG) are biologically-inspired tools for legged-robot locomotion reference generation. They represent one of the main stream quadruped robot locomotion synthesis approaches, along with Zero Moment Point (ZMP) based techniques and trial?and?error methods.CPGs stand out with their natural convenience for gait transitions. This is so because of the stable limit cycle behavior inhertent in their structure. However, the parameter selection and tuning of this type of reference generators is difficult. Often, trial?and?error iterations are employed to obtain suitable parameters.The background of complicated dynamics and difficulties in reference generation makes automatic tuning of CPGs an interesting area of research. A natural command for a legged robot is the speed of its locomotion. When considered from kinematics point of view,there is no unique set of walking parameters which yield a given desired speed. However,some of the solutions can be more suitable for a stable walk, whereas others may lead toinstability and cause robot to fall.This thesis proposes a quadruped gait tuning method based on evolutionary methods.A velocity command is given as the input to the system. A CPG based reference generation method is employed. 3D full-dynamics locomotion simulations with a 16-degrees-of-freedom (DOF) quadruped robot model are performed to assess the fitness of artificial populations.The fitness is measured by three different cost functions. The first cost function measures the amount of support the simulated quadruped receives from torsional virtual springs and dampers opposing the changes in body orientation, whereas the second one is a measure of energy efficiency in the locomotion. The third cost function is a combination of the firs two. Tuning results with the three cost functions are obtained and compared. Cross-over andmutation mechanisms generate new populations. Simulation results verify the merits of theproposed reference generation and tuning method.