Semelle à rigidité variable en matériau souple pour robot humanoïde pour marcher sur des terrains irréguliers non coplanaires

Soft material variable stiffness sole for humanoid robot for walking on uneven no-coplanar terrains

• Auteur / Autrice : Irene Frizza
• Direction : Gentiane Venture, Philippe Fraisse
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CNRS-AIST Joint Robotics Laboratory
• Jury : Président / Présidente : Abderrahmane Kheddar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gentiane Venture, Olivier Stasse, Christine Chevallereau, Philippe Fraisse, Katia Mombaur, Tamim Asfour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Stasse, Christine Chevallereau

Mots clés

Mots clés libres

Marche humanoïde

Pieds compliant

Terrains irréguliers

Rigidité variable

Perception du sol

Ajustement des pas

Humanoid walking

Compliant feet

Uneven terrains

Variable stiffness

Ground scanning

Foothold calculation

Résumé

Marcher sur des terrains accidentés avec des humanoïdes est un défi de taille qui nécessite d'aborder divers aspects techniques et mécaniques pour assurer une locomotion sûre et stable. Dans cette thèse, nous abordons le problème du développement de solutions pour la marche humanoïde sur des terrains accidentés. Il s'agit d'un problème complexe impliquant plusieurs éléments : perception du terrain, stratégies de locomotion adaptatives, optimisation de la conception des pieds et des jambes et contrôle en temps réel et planification. Le développement d'un système de perception pour comprendre les caractéristiques des terrains, dont les variations d'élévation, de pente et de rugosité de la surface, est essentiel pour permettre au robot de naviguer efficacement sur ce type de terrains. Des stratégies de locomotion adaptatives permettant au robot d'ajuster dynamiquement le placement de ses pieds en fonction des conditions du terrain sont essentielles pour maintenir la stabilité et l'équilibre. Le développement de conceptions de pieds ou de jambes intégrant des matériaux souples et flexibles pour améliorer l’absorption des chocs sur des surfaces inégales est crucial pour garantir une locomotion sûre et efficace. La mise en œuvre d'algorithmes de contrôle et de planification en temps réel qui permettent au robot d'ajuster dynamiquement sa trajectoire de marche ou la pose de ses pieds pour naviguer sur des terrains complexes tout en assurant une locomotion fluide et continue. Pour la marche sur des terrains irréguliers non coplanaires, nous proposons une solution comprenant plusieurs directions: perception du terrain; amélioration matériel avec des pieds humanoïdes à rigidité variable en fonction de la rugosité du sol; et amélioration du côté contrôle en développant des algorithmes qui ajustent le placement des pieds du robot selon la perception du sol. Concernant les résultats, à partir de l'analyse de simulation, nous démontrons que la modification de la rigidité des pieds humanoïdes par rapport à la rugosité du sol pendant la marche améliore la stabilité sur différents types de terrains, avec des roches, des obstacles et des graviers de différentes formes et hauteurs. Pour la perception du terrain, nous utilisons deux caméra stéréo-profondeur adaptés aux courtes distances, une pour chaque pied. Nous avons pu reconstruire en temps réel le profil du terrain lors de la marche pour chacun des pieds. Pour le côté hardware, nous concevons une structure souple, pneumatique, à rigidité variable. Cette structure constitue l'ossature de base d'une semelle pneumatique à rigidité variable pour humanoïdes. La rigidité variable est obtenue en mettant sous pression une paire de structures de type PneuNet placées de manière antagoniste. Nous proposons un procédé pour fabriquer une telle structure en combinant des techniques de moulage par insert et par injection à noyau perdu. Nous développons une méthode de contrôle de la pression de l'air et d'un modèle qui relie la pression et la rigidité en flexion que nous validons expérimentalement. Cette structure pneumatique souple est un sous-système de la semelle complète pour preuve de concept. Nous fabriquons actuellement la semelle complète de l'humanoïde. Pour le contrôle, nous introduisons un nouvel algorithme permettant de calculer avec précision l'angle et la position d'atterrissage du pied en fonction de la perception du terrain, afin d'améliorer la stabilité et l'équilibre pendant la locomotion. Cette planification de la pose du pied est basée sur un modèle conforme au pied, avec des éléments viscoélastiques entre dix blocs rigides. Nous testons l'algorithme en simulation et sur un vrai robot humanoïde. Les résultats démontrent l'efficacité exceptionnelle de l'algorithme pour réduire les cas de chutes de robots et améliorer la stabilité globale pendant la marche, ouvrant la voie à des conceptions de robots humanoïdes plus robustes et plus fiables dans des environnements dynamiques.

Walking on uneven terrains with humanoids is a significant challenge that requires addressing various technical and mechanical aspects to ensure safe and stable locomotion. In this thesis, we address the problem of developing solutions for humanoid walking on uneven terrains is complex because involves several elements: terrain perception and mapping, adaptive locomotion strategies, foot and leg design optimization, real-time control, and planning. More in detail, developing a robust perception system to accurately detect and map the terrains' characteristics, including variation in elevation, slope, and surface roughness, is essential for enabling the robot to navigate uneven terrains effectively. Also, implementing adaptive locomotion strategies that allow the robot to dynamically adjust its gait and foot placement based on challenging terrain conditions is critical for maintaining stability and balance. Moreover, developing foot or leg designs that incorporate compliant and flexible materials to enhance shock absorption on uneven surfaces is crucial for ensuring safe and efficient locomotion. Finally, implementing real-time control and planning algorithms that enable the robot to dynamically adjust its walking trajectory or foot pose to navigate complex and challenging terrains while ensuring smooth and continuous locomotion. In order to face the problem of walking on uneven no-coplanar terrains, we propose a solution in multiple directions: ground scanning to detect terrains' characteristics, improving the hardware side with variable stiffness humanoid feet depending on ground roughness, and improving the control side by developing algorithms that adjust the robot's feet placement based on ground conditions for maintaining stability during walking. Regarding the results, starting from simulation analysis, we demonstrate that changing the stiffness of humanoid feet in conjunction with the ground roughness during the walk, improves the stability in different types of grounds, with rocks, obstacles, and gravels of different shapes and heights. For terrain perception, we use two stereo-depth camera sensors tailored for short distances, one for each foot. Here we were able to reconstruct the ground profile online during the walking for each of the feet proposing a solution to compensate the error of the foot pose estimation. For the hardware side, we design a pneumatic variable stiffness soft structure, and we manufacture by wax casting. This structure constitutes the basic framework for a pneumatic sole with variable stiffness for humanoids. Here, variable stiffness is obtained by pressurizing a pair of bending-type PneuNet-like structures placed in an antagonistic manner. We propose a process to fabricate a robust variable stiffness structure by combining insert molding and lost-core techniques. We develop the air pressure control method and a model that relates pressure and bending stiffness and we validate with experiments this analytical mode. The results showed fit with the analytical model showing the adequacy of the model. This soft pneumatic structure is a subsystem of the complete sole for the proof of concept. We are now manufacturing the complete sole of the humanoid. For the control side, we introduce a novel algorithm for accurately calculating the foot landing angle and position depending on ground scanning, in order to improve the stability and balance during locomotion and stationary poses. This foot pose planning is based on a foot-compliant model, with visco-elastic elements between ten rigid blocks, following the design of the real humanoid foot. We test the algorithm is tested in simulation and on a real humanoid robot. Results demonstrate the algorithm's exceptional efficacy in reducing instances of robot falls and enhancing overall stability during walking, paving the way for more robust and reliable humanoid robot designs in dynamic environments.