Walking trajectory generation and control of the humanoid robot: Suralp

Abstract

Son yıllarda, robotların çalışma alanı genişlemekte ve günlük yaşamımızda belirli görevler almaları planlanmaktadır. İnsan-robot etkileşimi geliştikçe bu robotlar; hasta ve yaşlı bakımı, kurtarma gibi bir çok alanda hizmet verebileceklerdir. Bu yüzden, son kırk yıl içerisinde insansı robotlar konusunda yoğun bir araştırma yürütülmektedir.Ancak, robotun doğrusal olmayan dinamiği ve yüksek sayıda serbestlik derecesi sebebi ile iki bacaklı yürümede dengeyi sağlamak oldukça zordur. Dolayısıyla, kararlı bir yürümeyi sağlamak için yumuşak bir yörünge oluşturulması ve çevrimiçi telafi yöntemleri gerekmektedir.Bu tezde, Kartezyen ayak pozisyonu referansları, vücut kordinat ekseninde ifade edilmiş periyodik fonksiyonlar kullanılarak oluşturulmaktadır. Bu parametrik yörüngelerin çevrimiçi değiştirilmesi, yürüme parametrelerinin robotu durdurmadan ayarlanması gibi önemli bir olanak sunmaktadır. Yörünge sentezi kapsamında, bu tezin en önemli katkısı; ayak yörüngelerinin yumuşatılması ve dikey yönde zemin itme hareketinin önerilmesidir. Bu itme hareketi, yürümenin kararlılığında ciddi bir ilerleme sağlamıştır.Parametre tabanlı fonksiyonlar kullanılarak yumuşak ayak referans yörüngeleri oluşturulsa bile, kararlı yürüyüşün sağlanması ve dengenin korunması için yürüme kontrol algoritmaları gerekmektedir. Bu tez, düz olmayan zemin koşullarına adapte olmak ve planlanan ve gerçek yürüyüş arasındaki farkları telafi etmek için sensör geri beslemesine dayanan çeşitli kontrol teknikleri sunmaktadır. Bunlara ek olarak, yürüme deneylerinden önce robotun başlangıç duruşunu ayarlamak için otomatik bir sıfırlama prosedürü önerilmiştir. Sunulan kontrol algoritmaları; Sıfır Moment Noktası ayarlama kontrolü, ayak yönelim kontrolü, vücut yönelim kontrolü, ayak yunuslama moment farkı telafisi, vücut yunuslama açısı iyileştirmesi, zemin darbe telafisi ve erken basma referans iyileştirmesini içermektedir.Önerilen yörünge sentezi ve yürüme kontrol algoritmalarının etkililiği insansı robot SURALP üzerinde denenmiş ve kararlı bir yürüyüş başarılmıştır.

In recent years, the operational area of the robots started to extend and new functionalities are planned for them in our daily environments. As the human-robot interaction is being improved, the robots can provide support in elderly care, human assistance, rescue, hospital attendance and many other areas. With this motivation, an intensive research is focused around humanoid robotics in the last four decades.However, due to the nonlinear dynamics of the robot and high number of degrees of freedom, the robust balance of the bipedal walk is a challenging task. Smooth trajectory generation and online compensation methods are necessary to achieve a stable walk.In this thesis, Cartesian foot position references are generated as periodic functions with respect to a body-fixed coordinate frame. The online adjustment of these parameterized trajectories provides an opportunity in tuning the walking parameters without stopping the robot. The major contribution of this thesis in the context of trajectory generation is the smoothening of the foot trajectories and the introduction of ground push motion in the vertical direction. This pushing motion provided a dramatic improvement in the stability of the walking.Even though smooth foot reference trajectories are generated using the parameter based functions, the realization of a dynamically stable walk and maintenance of the robot balance requires walking control algorithms. This thesis introduces various control techniques to cope with disturbances or unevenness of the walking environment and compensate the mismatches between the planned and the actual walking based on sensory feedback. Moreover, an automatic homing procedure is proposed for the adjustment of the initial posture before the walking experiments. The presented control algorithms include ZMP regulation, foot orientation control, trunk orientation control, foot pitch torque difference compensation, body pitch angle correction, ground impact compensation and early landing modification.The effectiveness of the proposed trajectory generation and walking control algorithms is tested on the humanoid robot SURALP and a stable walk is achieved.