Locomotion control of a lightweight quadruped robot
Contrôle de la locomotion d'un robot quadrupède léger
Résumé
This thesis contributes to the locomotion of legged robots by developing a control architecture able to exploit the dynamical capabilities of a lightweight quadruped robot. The use of complementary filters allows a straightforward sensors fusion for the estimation of the robot state. Binary matrices make it possible to handle contact sequences in a generic way to modify the gait pattern on the fly. This information can then be used to determine footstep locations online using a small set of heuristics. By reasoning on a prediction horizon a centroidal model predictive control can then find out which forces should be applied at contact locations to follow a reference state trajectory and handle disturbances. Next, a whole-body controller translates desired contact forces and swinging feet trajectories into joint trajectories and feedforward torques. Finally, an impedance controller provides feedback torques based on the difference between the desired and current joint positions and velocities to obtain the commands sent to the robot. The modularity of the architecture allows to easily augment some aspects of the scheme or to replace them to test out other methods, as it will be shown several times in this thesis. This control scheme is implemented in a real-time framework and successfully deployed on the Solo-12 quadruped. The possibilities offered by this architecture, both in terms of performances and versatility, are validated through simulations and experiments. Several applications allowed us to quantify the interest and relevance of the presented scheme for the locomotion control of lightweight quadruped robots.
Cette thèse contribue à la locomotion des robots à pattes en développant une architecture de contrôle capable d'exploiter les capacités dynamiques d'un robot quadrupède léger. L'utilisation de filtres complémentaires permet une fusion simple des capteurs pour l'estimation de l'état du robot. Des matrices binaires permettent de traiter les séquences de contact de manière générique afin de modifier la démarche à la volée. Cette information peut ensuite être utilisée pour déterminer la position des pas en ligne en utilisant un ensemble réduit d'heuristiques. En raisonnant sur un horizon de prédiction, une commande prédictive centroïdale peut alors déterminer les forces qui doivent être appliquées aux points de contact pour suivre une trajectoire de référence et gérer les perturbations. Ensuite, un contrôleur corps complet traduit les forces de contact souhaitées et les trajectoires de balancement des pieds en trajectoires articulaires et en couples moteurs. Enfin, un contrôleur d'impédance fournit des couples de rétroaction basés sur la différence entre les positions et les vitesses articulaires souhaitées et actuelles. La modularité de l'architecture permet d’étendre facilement certains de ses aspects ou de les remplacer pour tester d'autres méthodes, comme cela sera montré à plusieurs reprises dans cette thèse. Ce schéma de contrôle est implémenté en temps réel et déployé avec succès sur le quadrupède Solo-12. Les possibilités offertes par cette architecture, tant en termes de performances que de polyvalence, sont validées par des simulations et des expériences. Plusieurs applications nous ont permis de quantifier l'intérêt et la pertinence du schéma présenté pour le contrôle de la locomotion de robots quadrupèdes légers.
Domaines
Robotique [cs.RO]
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)