Balance control of robots in compliant contacts - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Balance control of robots in compliant contacts

Contrôle d’équilibre des robots en contacts compliants

Résumé

The balance control of robots is still a complex problem that requires additional research, especially in the case of humanoid robots. This is particularly true when the robot-environment interaction is compliant, such as when the contact surfaces are made of soft material. The classical rigid interaction assumption fails in such case, as the controller built on this assumption struggles to produce the required forces for the robot's balance. Some works in the literature try to compensate for the compliance effect, but this works only with relatively small compliance effects. Others have relied on modeling the compliant environment, but their approaches only work on specific torque-controlled robots.This thesis deals with the balance control of robots during compliant interaction with the environment, and proposes a control strategy that is applicable to different types of robots. A reduced model using the viscous-elastic model of the forces is proposed to study the dynamics imposed by the compliant interaction on the robot. The model takes any number of contacts with the environment, which make it usable on quadruped robots as well as humanoid robots with multiple contact configurations. A linearization process is used to linearize the non-linear system, and a state-space representation is used to represent the linear dynamics. To follow the desired contact forces and moments, the force sensor data is used in a trade-off with the contacts' kinematics. To minimize the error of the state, a linear quadratic program is used to generate the required command signal for this minimization, consisting of acceleration signals of the robot's limbs in contact with the environment. The acceleration signals are then incorporated into a whole body quadratic program, which is used to generate the motion of the robot in question.A first validation was performed in simulation on a 26 degrees of freedom torque-controlled biped, in two contacts and in multiple contacts situations. Simulations were run in MATLAB SIMULINK and showed how the proposed controller compares to a classical controller assuming rigid interaction, and the robustness of the controller was gauged. A Second validation was performed in simulation on a 34 degrees of freedom position-controlled robot of type HRP4. The controller was formulated in C++ using the mc_rtc control framework and simulations were run in the Choreonoid simulator. The controller showed good results in almost rigid and in compliant interactions, in bipedal and multiple contacts configurations.
Le contrôle d'équilibre des robots reste un problème complexe qui nécessite des recherches supplémentaires, en particulier dans le cas des robots humanoïdes. Ceci est particulièrement vrai lorsque l'interaction robot-environnement est souple, par exemple lorsque les surfaces de contact sont faites de matériaux mous. L'hypothèse classique d'interaction rigide échoue dans ce cas, car le contrôleur construit sur cette hypothèse ne réussit pas à suivre les forces requises pour l'équilibre du robot. Certains travaux dans la littérature tentent de compenser l'effet de compliance, mais cela ne fonctionne que pour des effets de compliance relativement faibles. D'autres se sont appuyés sur la modélisation de l'environnement compliant, mais leurs approches ne fonctionnent que sur des robots spécifiques contrôlés en couple.Cette thèse traite le contrôle de l'équilibre des robots pendant l'interaction compliante avec l'environnement, et propose une stratégie de contrôle qui est applicable à différents types de robots. Un modèle réduit utilisant le modèle visco-élastique des forces est proposé pour étudier la dynamique imposée par l'interaction compliante sur le robot. Le modèle prend un nombre quelconque de contacts avec l'environnement, ce qui le rend utilisable sur des robots quadrupèdes ainsi que sur des robots humanoïdes avec des configurations de contact multiples. Un processus de linéarisation est utilisé pour linéariser le système non linéaire, et une représentation de l'espace d'état est utilisée pour représenter la dynamique linéaire. Pour suivre les forces et les moments au niveau des contacts avec une bonne précision, les données des capteurs de force sont utilisées dans un compromis avec la cinématique des contacts. Pour minimiser l'erreur d'état, un programme quadratique linéaire est utilisé pour générer le signal de commande nécessaire à cette minimisation, constitué de signaux d'accélération des membres du robot en contact avec l'environnement. Les signaux d'accélération sont ensuite incorporés dans un programme quadratique corps entier, qui est utilisé pour générer le mouvement du robot en question.Une première validation a été effectuée en simulation sur un bipède à 26 degrés de liberté contrôlé en couple, dans des situations à deux contacts et à contacts multiples. Les simulations ont été effectuées dans MATLAB SIMULINK et ont montré comment le contrôleur proposé se compare à un contrôleur classique supposant une interaction rigide, et la robustesse du contrôleur a été évaluée. Une seconde validation a été effectuée en simulation sur un robot à 34 degrés de liberté contrôlé en position de type HRP4. Le contrôleur a été formulé en C++ en utilisant le framework de contrôle mc_rtc, et les simulations ont été effectuées dans le simulateur Choreonoid. Le contrôleur a montré de bons résultats dans des interactions presque rigides et souples, dans des configurations bipèdes et à contacts multiples.
Fichier principal
Vignette du fichier
109787_HAMZE_2023_archivage.pdf (22.8 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04196579 , version 1 (05-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04196579 , version 1

Citer

Marwan Hamze. Balance control of robots in compliant contacts. Automatic. Université Paris-Saclay, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPAST047⟩. ⟨tel-04196579⟩
50 Consultations
7 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More