Humanoid robot omnidirectional walking trajectory generation and control

Abstract

Bir zamanlar yalnızca bilimkurgu içerisinde görülen yürüyen insansı robotlar, son kırk yıllık arastırmalar sonucunda bir gerçeklik haline gelmislerdir. Ancak insansı robotların, insanlara yardımcı konuma gelebilmeleri için katedilmesi gereken birçok teknik gelisime hala ihtiyaç duyulmaktadır. Sabit ve kararlı bir yürüyüsün gerçeklestirilebilmesi için tasarlanan bir kontrolör bu anlamda büyük öneme sahiptir. Bu kontrolör, referans yörünge sentezi uygun olarak gelistirilmeden elde edilemez. Sıfır Moment Noktası (SMN) kriteri, yörünge sentezi için en yaygın olarak kullanılan kararlılık ölçütüdür. Robot Ağırlık Merkezi (RAM) için pozisyon referansları, SMN referansından birden fazla yolla elde edilebilmektedir. Doğal bir SMN referans yörüngesi ve bu referanstan RAM referansının bulunması için kullanılan Fourier serisi yakınsaması temeline dayanan bir metod daha önce önerilmis ve Sabancı Üniversitesi Robot Arastırmaları Laboratuar Platformu (SURALP) üzerinde düz bir yürüyüs için yayımlanmıstır. Bu tez, bahsi geçen teknikleri, düz yürüyüs referans yörüngesinden çok yönlü bir yürüyüs referans yörüngesine dönüstürerek gelistirmektedir. Tezin ikinci katkısı eğimi değisen yürüme yüzeylerinde denge sağlayabilmekamacıyla tasarlanmıs kontrolörlerdir. Önerilen kontrolörler üst gövdenin dönüs hareketini kullanarak insansı robotun eğimli yüzeylere uyum sağlamasına yardımcı olmaktadır. Gövdesini bel eklemininden bağımsız olarak hareket ettirebilen bir yunuslama ve yuvarlanma eksenine sahip olmayan robotlar için, sanal bel eklemi tanıtılmıstır.Önerilen referans sentezi ve kontrol algoritmaları insansı robot SURALP üzerinde test edilmistir. Deney sonuçları, bu yöntemlerin farklı zemin kosulları altında basarılı olduğunu göstermistir.

Walking humanoid machines, once only seen or read in science fiction, became reality with the intensive research of the last four decades. However, there is a long way to go in the direction of technical achievements before humanoid robots can be used widely as human assistants. The design of a controller which can achieve a steady and stable walk is central in humanoid robotics. This control cannot be achieved if the reference trajectories are not generated suitably.The Zero Moment Point (ZMP) is the most widely used stability criterion for trajectory generation. The Center of Mass (CoM) reference can be obtained from the ZMP reference in a number of ways. A natural ZMP reference trajectory and a Fourier series approximation based method for computing the CoM reference from it, was previously proposed and published for the Sabanci University Robotics ReseArch Laboratory Platform (SURALP), for a straight walk. This thesis improves these techniques by modifying the straight walk reference trajectory into an omnidirectional one.The second contribution of this thesis is controller designs in order to cope with the changing slopes of the walking surface. The proposed controllers employ the trunk link rotational motion to adapt to the ground surface. A virtual pelvis link is introduced for the robots which do not posses roll and pitch axis in pelvis link.The proposed reference generation and control algorithms are tested on the humanoid robot SURALP. The experiments indicate that these methods are successful under various floor conditions.