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Titelaufnahme

Titel
Development and control of a modular bipedal walking robot / eingereicht von: DI Johannes Mayr
VerfasserMayr, Johannes
Begutachter / BegutachterinBremer, Hartmut ; Ulbrich, Heinz
ErschienenLinz, Oktober 2015
UmfangXI, 117 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Univ., Dissertation, 2015
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Robotik / Humanoide / Regelung
Schlagwörter (EN)robotics / humanoid robot / control
Schlagwörter (GND)Roboter / Simulation / Bewegungsgleichung / Mehrkörpersystem / Regelung / Mensch-Maschine-Schnittstelle
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-6468 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
Dateien
Development and control of a modular bipedal walking robot [8.35 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Regelung von zweibeinigen Gehrobotern.

Um die entwickelten Algorithmen testen zu können, wird ein Prototyp eines modularen Gehroboters vorgestellt und ein dazugehöriges Simulationsmodell entwickelt.

Das Simulationsmodell basiert auf einem detaillierten Mehrkörpermodell und einem einfachen Kontaktmodell.

Die Herleitung der Bewegungsgleichung für das Mehrkörpermodell erfolgt auf eine modulare und strukturierte Art. Auf diese Weise ist es möglich die kinematische Struktur des Roboters einfach zu verändern oder Zwischenergebnisse wiederzuverwenden. So ist es etwa möglich für Bauteile mit gleicher kinematischer Struktur, aber abweichenden Massen, Längen und Trägheitsparametern, den Modellierungsaufwand zu reduzieren.

Diese rekursive Formulierung der Bewegungsgleichung wird anschließend mehreren Zustandstransformationen und Modellvereinfachungen unterworfen, um unterschiedlich komplexe Modelle des Gehroboters zu erhalten. Diese Modelle können anschließend zum effizienten Reglerentwurf herangezogen werden.

Die entworfenen Regler basieren auf den vorher hergeleiteten, vereinfachten Robotermodellen, was eine geringe Rechenleistung und damit einhergehend die Echtzeitfähigkeit der Algorithmen garantiert.

Im Unterschied zu anderen Regelalgorithmen für zweibeinige Roboter wird in dieser Arbeit besonders Augenmerk auf den Drehimpuls des Roboters gelegt. Während die Regelung von zweibeinigen Gehrobotern in der Regel auf Punktmasse-Modellen basiert, welche den Drehimpuls vernachlässigen, machen die hier vorgeschlagenen Regler explizit Gebrauch vom Drehimpuls, um die Stabilität des Ganges zu erhöhen.

Ein Gangmustergenerator, welcher die Mehrkörperdynamik durch Drehimpulsschätzung berücksichtigt, erzeugt physikalisch gültige Trajektorien für den Roboter. Diese Trajektorien werden anschließend von einem Regler, basierend auf dem Centroidal Momentum Pivot und dem Zero Moment Point, möglichst genau am Roboter realisiert.

Ebenfalls werden einfache Mensch-Maschine Schnittstellen, z.B. das autonome Gehen eines zweibeinigen Roboters zwischen Hindernissen oder das einfache Manipulieren von Objekten mit Hilfe des Roboters, vorgestellt.

Zusammenfassung (Englisch)

The scope of this thesis is the control of biped walking robots.

For the evaluation of control algorithms a modular biped robot prototype is developed and a simulation model based on a detailed multi-body model and a penalty based contact model is implemented. The derivation of the multi-body model is performed in a modular and structured manner. The used method allows to easily adapt the kinematic structure of single limbs and to reuse results obtained for limbs with a similar kinematic structure but different inertial parameters such as in case the left leg is just a mirrored version of the right one. After finding a recursive formulation to calculate the equations of motion various state transformations are performed and some model simplifications are applied to obtain expressions that can be used to effectively solve control problems.

The designed controllers are all based on the derived simplified robot models. This guarantees less computational effort and gives rise to real-time algorithms that can be used on a physical humanoid robot system.

Different to other biped robot controllers in this work emphasis is given to the angular momentum of the robot. While most controllers neglect the angular momentum and treat the robot as a single point mass the proposed controllers consider the angular momentum to enhance the stability of the robot.

A walking pattern generator that considers multi-body dynamics by an angular momentum estimation is implemented to generate valid trajectories for the robot. These trajectories are then tracked by a feedback controller based on the Centroidal Momentum Pivot and the Zero Moment Point.

The thesis also presents some basic human machine interfaces and autonomous behaviors as autonomous walking amongst obstacles and object manipulation.