Adaptive control of a one-legged hopping robot through dynamically embedded spring loaded inverted pendulum template

Abstract

Model tabanlı dinamik bacaklı davranışların pratik olarak gerçeklenmesi ikinci derecesistem dinamiklerine aşırı bağlılıkları nedeniyle statik kararlı davranışlara göre oldukçazordur. Bu sorun ilgili modellerde yer alan yay ve sönümlenme sabiti gibi dinamikparametreleri tam olarak ölçmekteki zorluklar ve bu parametrelerin malzemeyorulması ve aşırı kullanım sonucunda zamanla değişme eğilimi göstermesinedeniyle daha kötü bir hal almaktadır.Bu tezin ilk bölümünde, adım başına bir kez parametre güncelleme mantığınadayalı olarak düzlemsel bir yay-kütle zıplayanı koşusu için çevrimiçi,model tabanlı bir adaptif kontrol metodu sunulmaktadır. Bu metot gerekkalibre edilmemiş bir sistemin muhtemelen zamanı bağlı yay ve sönümlenmesabitlerini belirleyen bir sistem tanımlama aracı olarak, gerekse dinamiksistem parametreleri üzerinde uygun ayarlamaları yaparak kararlı hal takiphatalarını gideren bir adaptif kontrolcü olarak kullanılabilir.Algoritmayı değerlendirebilmek için çok farklı boyut ve morfolojideki koşancanlıları etkili ve güvenilir bir biçimde tanımlayan ve çokça kullanılan YaylıTers Sarkaç (YTS) modeli kullanılmaktadır. Metodun hem güvenilir takip hemde sistem tanımlama görevlerini bu model üzerinde başarılı bir şekilde yapabildiğinigöstermek amacıyla sistematik simülasyon çalışmaları sunulmaktadır. Ayrıca,metodun fiziksel bir robot platformunda gerçeklenmesine adım olaraksimülasyon çalışmaları tork tahrikli tüketimli yaylı ters sarkaç (TT-YTS)modeline genişletilmiştir.Tezin ikinci bölümünde adaptif kontrol algoritmasının pratik olarakuygulanabilirliğini test etme amaçlı üretilen tek bacaklı zıplayanrobotun tasarım ve üretimi anlatılmaktadır. Robotun mekanik,donanımsal ve yazılımsal tasarımı ile birlikte bilinmeyen sistemparametrelerini kalibre etme amaçlı gerçekleştirilen sistemtanımlama çalışmaları da özetlenmektedir. Son olarak, robotunbasit tork tahrikli açık döngü kontrolcüsüyle ortaya çıkan hareketisorgulanmaktadır.

Practical realization of model-based dynamic legged behaviors is substantiallymore challenging than statically stable behaviors due to their heavy dependenceon second-order system dynamics. This problem is further aggravated by the difficultyof accurately measuring or estimating dynamic parameters such as springand damping constants for associated models and the fact that such parametersare prone to change in time due to heavy use and associated material fatigue.In the first part of this thesis, we present an on-line, model-based adaptive controlmethod for running with a planar spring-mass hopper based on a once-per-stepparameter correction scheme. Our method can be used both as a system identificationtool to determine possibly time-varying spring and damping constants of amiscalibrated system, or as an adaptive controller that can eliminate steady-statetracking errors through appropriate adjustments on dynamic system parameters.We use Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP) model, which is the mostlyused, effective and accurate descriptive tool for running animals of different sizesand morphologies, to evaluate our algorithm. We present systematic simulationstudies to show that our method can successfully accomplish both accurate trackingand system identification tasks on this model. Additionally, we extend oursimulations to Torque-Actuated Dissipative Spring-Loaded Inverted Pendulum(TD-SLIP) model towards its implementation on an actual robot platform.In the second part of the thesis, we present the design and construction of a oneleggedhopping robot we built to test the practical applicability of our adaptivecontrol algorithm. We summarize the mechanical, electronics and software designof our robot as well as the performed system identification studies to calibrate theunknown system parameters. Finally, we investigate the robot?s motion achievedby a simple torque-actuated open loop controller.