Biped robot reference generation with natural ZMP trajectories

Abstract

K BACAKLI YÜRÜYEN ROBOTLARDA DOĞAL ZMP EĞR LER LEREFERANS ÜRET MOkan KurtÖZETnsansı robotlar geçtiğimiz otuzbeş sene içerisinde pek çok araştırmacının ilgisiniçekmiştir. Bu araştırmaların motivasyonu yürüyen robotların insanların yaşadığı ortamlarauygunluğundan ileri gelmektedir. Öte yandan böyle bir sistemin denetlenmesi, sistemindoğrusal olmayan dinamiği nedeniyle büyük zorluk teşkil etmektedir.Bu doğrultuda yürüyüş referans yörüngesi elde edimi önemli bir çözüm teşkiletmektedir. Böyle bir yörünge eldesi işlemi için gerekli şart elde edilen yörüngenin robotundoğal dinamiği ile takibe uygun olması ve minimum denetleme müdahaleleri ilegerçekleştirilebilmesidir. Inverted Pendulum Model (LIPM) referans yörünge eldesi metodunadayanan teknikler bahsedilen bu şarta dayanmaktadır. Öte yandan Zero Moment Point (ZMP)kriteri robot yürüyüşünün kararlılık tahlili için geniş çaplı olarak kullanılmaktadır. Dahası,LIPM tabanlı yörünge referansı eldesi modellerin ZMP kriteri ile geliştirilmiş versiyonları daliteratürde mevcuttur. Ancak bu metodlarda adım esnasında ZMP çoğunlukla destek ayaktabanının ortasında tutulmuştur. Nitekim böyle bir referans yörünge eldesi doğallıktan uzaktır,çünkü insan yürüyüş çevriminde ZMP ayak tabanı altında sabit kalmaktan ziyade destekleyiciayağın tabanında yürüyüş yönünde ilerlemektedir.Bu tezde LIPM referans yörünge eldesi metoduna ve destekleyici ayağın altındakonumu değişen ZMP referans eğrilerine dayanan bir referans yörünge eldesi metodu ilerisürülmektedir. Fourier serileri yaklaşımı LIPM dinamiğinin çözümünü basitleştirmeklekalmayıp aynı zamanda yumuşak ZMP değişimlerinede olanak sağlamaktadır. Hareketsağlanımı için yörünge ve kuvvet denetleme metodları tertip edilmiş ve uygulanmıştır.Geliştirilen bu teknikler bir simülasyon ortamında 12 Serbestlik Dereceli bir robotmodeli üzerinde denenmiştir. Elde edilen sonuçlar gerçek denemeler için ümit vericidir.

BIPED ROBOT REFERENCE GENERATION WITH NATURAL ZMPTRAJECTORIESby Okan KurtABSTRACTHumanoid robotics attracted the attention of many researchers in the past 35 years. Themotivation for research is the suitability of the biped structure for tasks in humanenvironments. The control of humanoid robots is challenging due to its complex dynamics.Walking reference trajectory generation is a key problem. A criterion used for thereference generation is that the reference trajectory should be suitable to be followed by therobot with its natural dynamics and minimal control intervention. Reference generationtechniques with the so-called Linear Inverted Pendulum Model (LIPM) are based on this idea.The Zero Moment Point (ZMP) Criterion is widely employed in the stability analysis of bipedrobot walk. Improved LIPM based reference generation methods obtained by applying theZMP Criterion are also reported. In these methods, the ZMP during a stepping motion is keptfixed in the middle of the supporting foot sole, which lacks naturalness. In fact, the ZMP inthe human walk does not stay fixed, but it moves under the supporting foot.This thesis proposes a LIPM based reference generation algorithm that uses ZMPreferences which have double support phase and are also natural since moving ZMPreferences for single support phase are used. The application of Fourier series approximationsimplifies the solution and it generates a smooth ZMP reference. Trajectory and force controlmethods for locomotion are devised and applied too.The developed techniques are tested through simulation with a 12-DOF biped robotmodel. The results obtained are promising for implementations.