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

Abstract

İki bacaklı insansı yapı yaşadığımız ve çalıştığımız ortamlarda insanlara destek olacak yardımcı bir robot için avantajlar sunmaktadır. İnsansı robotların ev ve ofis ortamlarında çevreleri ile etkileşimli olarak çeşitli görevleri yerine getirmeleri, insanlar için tasarlanmış aygıt ve aletleri kullanmaları, insanlar için tasarlanmış araçlarla nakledilmeleri mümkündür. Ayrıca insana benzer şekle sahip robotların diğer şekillerdeki robotlara göre toplumla daha kolay uyum sağlayabilecekleri ve sosyal bir varlık olarak kabul edilebilecekleri düşünülmektedir.Bununla birlikte iki bacaklı robot yürüyüş kontrolü zorlu bir görevdir. Sadece düz zeminler üzerindeki yürüyüş başarımı yeterli değildir. İnsanların sıkça karşılaştıkları eğimli yüzeyler gibi düz olmayan zeminler üzerinde dengeli bir yürüyüşü sağlamanın güçlükleri çok daha fazladır. Bahsedilen güçlükler, veri ve algılayıcı füzyonundan eğimli yüzeylere adaptasyon sağlayacak sistemlerin tasarlanması ve geliştirilmesine kadar geniş bir yelpazeye yayılmaktadır.Bu doktora tezi değişken eğimlere sahip yüzeylerde yürüme üzerine bir çalışmayı sunmaktadır. Yürüme için Sıfır Moment Noktası (SMN) tabanlı bir referans yörünge sentez tekniği kullanılmıştır. İnsansı robot gövde koordinat çerçevesinde ifade edilmiş ayak tabanı yunuslama açısı referansı, farklı eğimlerdeki yüzeylere uyum sağlaması amacıyla, bulanık mantıklı bir kontrolör sistemi tarafından çevrimiçi olarak ayarlanmaktadır. Önceden belirlenmiş örnekleme sayıları ve süreleri ile hesaplanan ortalama bilek yunuslama momentleri ve ortalama vücut yunuslama açısı bu sistemin girdileri olarak kullanılmıştır.Önerilen kontrol yöntemi 29 serbestlik dereceli, insan ebatlarındaki, tüm-vücutlu insansı robot SURALP (Sabancı Üniversitesi Robot Araştırmaları Laboratuvar Platformu) üzerinde gerçekleştirilen deneysel çalışmalarla denenmiştir. Yürüme deneyleri düz zeminde ve farklı eğim açılarına sahip yüzeyler üzerinde yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar önerilen metodun %15 eğimli (8,5o) bir yüzeye giriş, yüzeyde tırmanış ve yüzeyden çıkış konusunda başarılı olduğunu göstermektedir.Tez, iki bacaklı yürüyüşü konu alan bir terminoloji kısmıyla başlamakta, bazı başarılı insansı robot projelerini tanıtmaktadır. Düzgün olmayan yüzeyler üzerindeki yürüyüş kontrol teknikleri hakkında bir literatür taraması sunulmuştur. Yürüyüş deneylerinin gerçekleştirildiği insansı robot platformu SURALP mekanik tasarım ve imalat, elektronik tasarım ve entegrasyon, referans yörünge sentezi ve kontrol sistem tasarımı alt başlıkları ile anlatılmıştır. Eğimli yüzeyler üzerindeki yürüyüş için tasarlanan bulanık mantıklı çevrimiçi referans ayarlama sisteminin ayrıntıları verilmiş ve deneysel sonuçlar sunulmuştur.

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 degrees-of-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.