ZMP based reference generation for a bipedal humanoid robot

Abstract

Son on beş yılda insansı robot alanındaki çalışmalar hızlı bir artış göstermiştir. Tekerlekli robotlarla karşılaştırıldıklarında, insansı yapıya sahip olmaları insanların yaşam alanlarına uyum sağlamaları açısından daha elverişlidir. Fakat karmaşık dinamikleri, iki ayaklı insansı robotların kontrolünü büyük bir ölçüde zorlaştırmaktadır.Kararlı bir yürüyüş referans yörüngesi sentezi, insansı robotların kontrolünde önemli bir rol oynamaktadır. Çok sayıda çalışma, iki ayaklı insansı robotlar için kararlı bir yürüyüş referans yörüngesi sentezinde Doğrusal Ters Sarkaç Modeli'ni (LIMP) ve Sıfır Moment Noktası (ZMP) kriterini kullanmıştır. Bu tezde de, bu ana yaklaşım benimsenmiştir.Bu tezde kararlı ve insanınkine benzer bir yürüyüş elde edebilmek için doğal ve sürekli ZMP referans yörüngeleri önerilmektedir. Bu doğal ve insanınkine benzer yürüyüş, robot gövdesi tek bacak tarafından desteklendiği esnada destek ayak tabanı altında ileriye doğru hareket eden ZMP yörüngeleri kullanılarak elde edilmiştir. Robot ağırlık merkezi yörüngeleri de, daha önceden tanımlanmış olan ZMP referans yörüngelerinden Fourier serileri yakınsaması yöntemi kullanılarak oluşturulmaktadır. Kesikli fonksiyonların Fourier yakınsamalarında sıkça görülen Gibbs fenomeni sorunu tanımlanan sürekli ZMP referansları ile engellenmiştir. Ayrıca, bu alandaki birçok çalışmanın aksine, bu ZMP referansları deneysel parametre ayarlamalarında çok faydalı olan önceden tanımlanmış tek ve çift ayak destek evrelerine sahiptir.Bunlara ek olarak, bu tezde sınırlı adım sayısına sahip olan bir yürüyüş elde edebilmek için de bir yöntem sunulmuştur.ZMP tabanlı referans sentezi yöntemi Sabancı Üniversitesi'nde tasarlanmış olan iki ayaklı insansı robot SURALP'te uygulanmıştır. Deneysel sonuçlar, önerilen referans yörüngesi sentezi yönteminin başarılı olduğunu göstermektedir.

Recent fifteen years witnessed fast improvements in the field of humanoid robotics. The human-like robot structure is more suitable to human environment with its supreme obstacle avoidance properties when compared with wheeled service robots. However, the walking control for bipedal robots is a challenging task due to their complex dynamics.Stable reference generation plays a very important role in control. 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 walking robots. This thesis takes this main approach too.This thesis proposes a natural and continuous ZMP reference trajectory for a stable and human-like walk. Natural, human-like walking is obtained by ZMP trajectories which move forward under the sole of the support foot when the robot body is supported by a single leg. Robot center of mass trajectory is obtained from predefined ZMP reference trajectories by a Fourier series approximation method. The Gibbs phenomenon problem common with Fourier approximations of discontinuous functions is avoided by employing continuous ZMP references. Also, these ZMP reference trajectories, unlike many examples in the literature, possess pre-assigned single and double support phases, which are very useful in experimental tuning work.In this thesis, a method for generating a stepping sequence of finite number of steps is proposed too.The ZMP based reference generation strategy is applied on the full body humanoid robot SURALP designed at Sabanci University. Experimental results indicate that the proposed reference trajectory generation technique is successful.