Motion creating system design and implementation for a biped humanoid robot

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es einen zweibeinigen Humanoiden Roboter, hinsichtlich des Gehens zu verbessern. Bei Beginn der Arbeit war der Unterkörper vorhanden. Die erste Aufgabe bestand darin diese Hardware Struktur zu verbessern. Es wurden neue Fußgelenke sowie neue Fußplatten entwickelt, gefertigt und implementiert. Seitens der Elektrotechnik wurden neue, bürstenlose Motoren mit zeitgemäßen Zahnriemen implementiert und die Energieversorgung verbessert. Von der IT Seite fanden neue USB/CAN Konverter Verwendung. Weiters wurde das Datenübertragungsnetzwerk neu gestaltet. Schließlich wurde eine neue Software zur Bewegungssteuerung einschließlich einer grafischen Benutzeroberfläche entwickelt. Die entwickelte Bewegungssteuerung basiert auf einem Positions-Zeit (PT) System mit dem die Bewegungen der Gelenke koordiniert warden können. Bei dieser Methode warden die entsprechenden PT Daten au seiner Quelldatei in einen Pufferspeicher geladen, die Motoren zu diesen Positionen bewegt und die Daten entsprechend dem -Control Area Netwerk - CAN- formatiert. Durch Interpolation dieser Daten erfolgt die Berechnung der gewünschten Positionen und Geschwindigkeiten der Gelenke. Durch diese Neuentwidklungen ist es möglich, verschiedene Arten des Gehens unter Anpassung an die Bodenbeschaffenheit realisiert warden. Mit dieser Methode ist es möglich mit dem derzeit vorhandenen Unterteil Schritte mit einer Länge von 50 cm und einer Höhe von 12 cm zu realisieren. Abschließende Tests ergaben, dass unter diesen Bedingungen der Roboter eine gerade Strecke von 10 m mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 0,08 km/h zurücklegen konnte.

This work effort, aims to develop the biped humanoid robot Archie, and present a simple but reliable motion creating system for stable bipedal walking. This new system for robot included developing the hardware structure (i.e., new frontal ankle joints, new brushless motors, new timing belts, USB to CAN converter, new power supply and new foot plates), designing a distributed communication network, new motion controller program with new graphical user interface and software implementation approaches to perform the stable walking. Although various humanoid robots have successfully demonstrated their capabilities, but stable bipedal walking methods are still one of the main technical challenges that robotics researchers are attempting to solve it. If we consider this problem from a different standpoint, the development of a biped humanoid robot can be simplified as long as the bipedal walking method is easily formulated. Therefore, this thesis focuses on design and implementation of a motion control system based on the Position-Time (PT) mode and formulating the constraints of the hip and foot motion parameters. In this method the PT data pulled from its source table into the buffer, therefore drive gets the PT position points and transmitted data according to the designed CAN (Control Area Network) format massage. On the other hand, the motor drive interpolates the motion specification in order to calculate the desired position and speed at the sampling instances, when it needs the information. In PT motion method the drive manages a read pointer for the position points vectors (QP[N]), when the read pointer is N, the active motion segment starts at position QP[N] and ends at QP[N+1], and after control sampling times (MP[4]), the drive increments the read pointer to N+1, and reads QP[N+2] to calculate the parameters of the next motion segment. PT data transferred to motor drive online, by using the designed distributed CAN communication network. Therefore in the proposed system by varying the values of the constraints of the hip and foot motion parameters (Xsd, Xed: distances along the x-axis from the hip to ankle of support foot at the start and end of single-support phase respectively) we can achieve different types of foot motion to adapt the ground conditions and run the stable walking. To validate the designed system, forward stable walking test performed on an ordinary room floor based on the obtained optimised values of the walking pattern (max. step height=12cm, max. step length=50cm, min. hip height=54cm, max. hip height=57cm). Finally Archie could walk forward for 10 meters and keeping balance along the entire sequence with the speed of ~0.08 km/h.