Controller design of a humanoid robot

Abstract

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Reglerauslegung für den am Institut für Mechanik und Mechatronik, Arbeitsgruppe Intelligente Handhabungsgeräte und Robotertechnik (IHRT), an der Technischen Universität Wien entwickelten humanoiden Roboter namens "Archie". Die Grundidee ist es einen kostengünstigen humanoiden Roboter zu entwickeln, der in der Lage ist Menschen in ihren täglichen Aufgaben zu unterstützen. Im Moment besteht der Roboter aus 13 Freiheitsgraden und ist in der Lage sich mit einfachen menschenähnlichen Schrittbewegungen fortzubewegen. Die 13 Gelenke des Roboters werden teilweise von bürstenlosen Gleichstrommotoren und teilweise von Gleichstrommotoren mit Bürsten angesteuert und mittels eines handelsüblichen Mikrocontrollers geregelt. Der Mikrocontroller verwendet dabei die übliche Form der Regelung für Gleichstrommaschinen in Form einer dreifach kaskadierten Regelung für die Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsregelung. Die Stabilität des gesamten Roboters hängt zu einem großen Teil von der genauen Ausführung der Geschwindigkeits- und Positionssollwerte in den jeweiligen Gelenken des Roboters ab. Darum werden im Weiteren die Gelenke, bestehend aus einem Gleichstrommotor und einem Getriebe, eingehend untersucht. Von der Vielzahl von bisherigen Arbeiten über die Regelung von humanoiden Robotern beschäftigen sich fast keine mit diesem Problem. Im Zuge einer experimentellen Identifikation wird ein mathematisches Modell des zugrundeliegenden physikalischen Systems in Form eines Grey Box Models erstellt. Dabei zeigte sich, dass das Übertragungsverhalten der Gelenke statisch nichtlineares Verhalten aufweist. Es wird daher ein klassisches Hammerstein-Model zur Schätzung des Übertragungsverhaltens herangezogen. Die Ergebnisse der Identifikation zeigen, dass das dynamische Verhalten der Gelenke zwei statische Nichtlinearitäten, in Form von einer Totzone und einer nichtlinearen Verstärkung, aufweist. Um die Gelenke trotz dieser Nichtlinearitäten optimal regeln zu können wird die so genannte "gain scheduling" Funktion des implementierten, industriellen Mikrocontrollers verwendet. Diese Funktion passt die Regelverstärkungen automatisch an die jeweilige Arbeitsgeschwindigkeit an. Diese Verstärkungen sind in einer Tabelle gespeichert und liegen dieser Arbeit in digitaler Form bei. Abschließend werden die ausgelegten Regler der jeweiligen Gelenke unter Verwendung der tatsächlich für die Schrittbewegungen des Roboters verwendeten Trajektorien getestet und es zeigt sich, dass unter Verwendung der "gain scheduling" Funktion eine hohe Positionsgenauigkeit in allen Gelenken erreicht werden kann.

This thesis deals with the controller design of the teen-sized humanoid robot "Archie" developed by the Intelligent Handling and Robotics Department (IHRT) at the Technical University of Vienna. The main idea behind "Archie" is to develop a Cost Oriented Humanoid Robot (COHR) to assist humans in their daily life tasks. To date, the robot consists of 13 degrees of freedom and is able to perform basic human-like walking motions. All of the 13 joints in the robot's structure are actuated either by a brushed or a brushless DC-motor and are controlled by a commercial micro-controller using the standard three-cascaded control architecture for the current, velocity and position control. The overall stability of the robot depends above all on the accurate performance of the position and velocity commands sent to each joint. Therefore, the dynamic behavior of the joints consisting of a DC-motor and a gear set is investigated in detail. A mathematical model of the underlying physical system is established by way of a system identification. For this purpose, a grey box model of the joint plant is established. Since the joints show a nonlinear behavior a Hammerstein model is estimated. The results of the system identification show that the transmission behavior of the joints is dominated by two static nonlinear effects, namely a dead zone nonlinearity and a nonlinear gain. In order to deal with the static nonlinearities the gain scheduling function of the micro-controller is used. The gain scheduling algorithm automatically chooses the proportional and integral controller gains depending on the reference velocity input. The various gains are stored in the gain scheduling table and are enclosed with this thesis. Finally, the tuning of the joint controllers is tested on the real robot by applying the actual trajectories used for the robot's walking motion. The results of this test show that the use of the gain scheduling function enables the micro controller to precisely follow the position and velocity commands.