Équilibre des robots humanoïdes dans des modes de multi-contacts

Humanoid robots balance in multi-contact modes settings

• Auteur / Autrice : Saeid Samadi
• Direction : Abderrahmane Kheddar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Soutenance le 22/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Adrien Escande
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrahmane Kheddar, Leonardo Lanari, Wael Suleiman, Tamim Asfour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Leonardo Lanari, Wael Suleiman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tchebychev, Systèmes de

Robots humanoïdes

Mots clés libres

Robots humanoïdes

Multi-Contact

Équilibre dynamique

Controle corps complet

Modeles de contact

Centre de Chebyshev

Humanoid robots

Multi-Contact

Dynamic balance

Whole-Body control

Contact modes

Chebyshev center

Résumé

Dans cette thèse, nous abordons la commande corps complet de robots humanoïdes dans des configurations de contact multiples multi-modaux. C'est-à-dire, sous différentes conditions de contact telles qu'un mélange de contacts fixes et de contacts glissants désirés (i.e., contrôlés). Plusieurs méthodes sont proposées pour caractériser l'équilibre de robots humanoïdes, comme par exemple, le maintien du centre de masse (CoM) dans un ensemble admissible. Certaines de ces méthodes nécessitent des calculs coûteux des régions d'équilibre géométriques. Par conséquent, l'integration en ligne (c'est-à-dire dans les boucles de commandes) des critères d'équilibre en multi-contact est un défi majeur en robotique humanoïde. Dans cette thèse, nous abordons ce défi en trois étapes principales. Tout d'abord, nous présentons une méthode de calcul rapide pour la région de support en 2D du CoM dans une configuration de contacts multiples fixes et (intentionnellement) glissants. Pour sélectionner la position la plus appropriée du CoM dans cette région, nous tenons compte (i) des contraintes des multiples contacts fixes et glissants, (ii) de la distribution souhaitée du torseur des efforts sur les contacts existants, et (iii) de la position souhaitée du CoM (éventuellement influencée par d'autres tâches). Ces contraintes sont formulées comme des problèmes de programmation quadratique (QP) en optimisation. Cette étape comporte des limitations et notamment, elle ne peut pas couvrir tout les scénarios des configurations multi-contacts possibles du robot humanoïde.Ensuite, nous étendons l'étude précédente aux configurations multi-contacts dans l'espace 3D en offrant au contrôle corps complet la possibilité d'interchanger en ligne, et à souhaits, des contacts fixes et des contacts glissants.Cette nouvelle approche calcule une position sûre du centre de masse et une distribution du torseur des efforts sur les contacts existants basée sur le centre de Chebyshev. Les calculs se font maintenant en temps-réel et permettent de faire interagir le calcul des régions d'équilibre avec la commande dans l'espace des tâches. De plus, cette approche ne nécessite pas le calcul géométrique explicite des régions d'équilibre. Nous évaluons notre approche à l'aide d'expériences mettant en évidence des commutations entre les modes de contacts fixes et glissants et dans des configurations à contacts multiples non coplanaires. Les scénarios représentent l'exécution de notre schéma de contrôle en réalisant les forces désirées, avec un attracteur de la position du CoM et les trajectoires planifiées tout en maintenant l'équilibre activement.Enfin, nous introduisons un cadre unifié pour le contrôle de l'équilibre dynamique du corps entier des robots humanoïdes en multi-contact comme une alternative au contrôle de l'équilibre dans un schéma à deux phases. Ce cadre prend en compte les tâches de mouvement actif du robot en temps réel dans le cadre des critères d'équilibre du robot. Nous illustrons l'applicabilité de chaque étape par des simulations et des expériences empiriques sur le robot humanoïde HRP-4.

In this thesis, we investigate real-time whole-body control of humanoid robots under multi-contact-modes settings. That is to say, under different contact conditions such as a mix of desired fixed contacts and desired (i.e., controlled) sliding ones. Several methods are proposed to maintain the robot's balance and keep the center-of-mass (CoM) within an admissible set. Some of these methods require expensive computations of geometric balance regions. Consequently, the online realization of the balance criteria in multi-contact has been a long-standing challenge. In this thesis, we tackle this challenge in three main steps. First, we present a fast-computing method for the 2D CoM support region in a configuration of multiple fixed and intentionally sliding contacts. To select the most appropriate CoM position within this region, we account for (i) constraints of multiple fixed and sliding contacts, (ii) desired wrench distribution for contacts, and (iii) desired CoM position (eventually dictated by other tasks). These are formulated as quadratic programming (QP) optimization problems. This stage contains computational limitations and can not cover all feasible robot configurations during the scenarios.Next, we propose a whole-body control strategy for humanoid robots in multi-contact settings that enables switching between fixed and sliding contacts under active balance at will.This approach computes a safe center-of-mass position and wrench distribution of the contact points based on the Chebyshev center in real-time and without any computational limitations. Moreover, this region-free approach does not need the geometric computation of balance regions and emph{a priori} computation of them. We assess our policy with experiments highlighting switches between fixed and sliding contact modes in multi-contact configurations. A humanoid robot exhibits such contact interchanges from fully-fixed to multi-sliding and also shuffling of the foot.The scenarios represent the execution of our control scheme in realizing the desired forces, CoM position attractor, and planned trajectories while actively maintaining balance.Finally, we introduce a unified framework for the whole-body dynamic balance controller of humanoid robots in multi-contact as an alternative to controlling the balance in a separate thread (planning). This framework considers the active motion tasks of the robot in real-time within the balance criteria of the robot. We illustrate the applicability of each step by simulations and empirical experiments on the HRP-4 humanoid robot.