Steuerung und Regelung für den Gang eines humanoiden Roboters

Abstract

Momentan werden Roboter vor allem im industriellen Umfeld eingesetzt. Um den Schritt von dem geschützten industriellen Umfeld in den menschlichen Lebensraum zu schaffen, müssen Roboter unter anderem dazu in der Lage sein, überall dort hinzukommen, wo sich auch Menschen aufhalten. Um diese Aufgabe zu bewältigen, wird der Ansatz verfolgt, dem Roboter den selben Fortbewegungsapparat zur Verfügung zu stellen, den auch der Mensch besitzt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Steuerungs- und Regelungsentwurf für den humanoiden Gang eines Roboters.<br />Zu Beginn dieser Arbeit erfolgt die Berechnung der Kinematik des Roboters Nao, sowie die Lösung der inversen Kinematik der Beine. In einem weiteren Schritt wird der Roboter als inverses Pendel modelliert. Mit Hilfe des Zero Moment Points wird ein Stabilitätskriterium für den humanoiden Gang vorgestellt. Unter Einbezug des Stabilitätskriteriums werden Trajektorien für den Gang des Roboters berechnet. Um äußeren Störungen entgegenzuwirken und Parameterungenauigkeiten des Robotermodells auszugleichen, werden in dieser Arbeit zwei Regelungsstrategien verfolgt.<br />Zum einen wird eine Admittanzregelung entwickelt, welche die Position und die Orientierung des Fußes an den Untergrund anpasst und so dem Roboter erlaubt, sich auch auf unebenem Untergrund fortzubewegen. Zum anderen wird eine Torsoregelung entworfen, welche den Oberkörper stabilisiert. Der Steuerungs- und Regelungsentwurf wurde zunächst mittels Simulationen getestet und anschließend am Roboter Nao implementiert und verifiziert.<br />

At present a multitude of robots are used in industrial environments. In order to go a step further and use robots in everyday environments, robots should be able to come to any place, where humans are working and living. For this, robots with bipedal gait have been developed in the last years.<br />The present diploma thesis deals with the development and the implementation of a walking algorithm for humanoid robots, in particluar for the humanoid robot Nao from Aldebaran Robotics. First of all the kinematics and inverse kinematics of the robot's legs are described and calculated. In the present work, the robot is modeled as a 3-dimensional inverted pendulum. Furthermore, the Zero Moment Point, essential for the stability of the bipedal walk, is introduced. Based on the dynamic equations of the inverted pendulum and on the Zero Moment Point the trajectories for a stable walk are calculated. A static stable walk as well as a dynamic stable walk are discussed. It is shown that the trajectories enable the robot to walk on even terrain.<br />In order to allow the robot to walk on uneven terrain, the sensors of the robots are utilized to realize a closed-loop control which stabilizes the robot. An admittance control of the robot's legs is developed, which allows the robot to adjust the position and orientation of the foot to uneven ground or small obstacles. In addition a posture control is implemented in order to stabilize the posture of the robot.<br />The developed control algorithms are tested with simulation and implemented on the Robot Nao.