Model based balance control of a quadruped robot

Abstract

Diplomityössä käsitellään nelijalkaisen pyörillä varustetun WorkPartner-robotin tasapainosäätöä. Robotille mahdollisia liikuntamuotoja ovat liikkuminen pyörillä, kävely ja näiden yhdistelmä, pyöräkävely. Työssä pyritään kehittämään robotille yhdessä muun liikkeenohjausjärjestelmän kanssa toimiva tasapainosäädin, joka parantaa robotin mahdollisuuksia liikkua epätasaisessa maastossa ja ylittää esteitä.

Työssä pyritään aluksi määrittelemään mitä tasapaino tarkoittaa ja miten sitä voidaan mitata. Lisäksi tarkastellaan kuinka tasapainoa voidaan säätää. Tasapainosäätöön hyödynnetään jalkojen tukivoimien avulla laskettavaa painekeskipistettä sekä pisteestä vaikuttavaa tukivoimien resultanttivoimaa.

Tasapainosäädintä varten robotista muodostetaan fysikaalinen dynaaminen malli, jota hyödynnetään myös säätimien testaamiseen numeerisen simulaation avulla. Dynaamisen mallin muodostus tapahtuu Lagrangen menetelmän avulla.

Robotin tasapainoa säädetään mallipohjaisella lineaarisella regulaattorilla eli LQR- säätimellä. Säätimen malli muodostetaan linearisoimalla robotin dynaaminen malli säädettävien muuttujien suhteen. Säädettävinä muuttujina toimivat robotin rungon asento eli pitch- ja roll-kulmat sekä niiden kulmanopeudet. Ohjauksina säätimessä ovat robotin manipulaattorin kulma sekä robotin nilkkapisteisiin kohdistuvat maan tukivoimat, jotka muunnetaan jalkojen paikoiksi jousi-mallin avulla.

Kehitettyä säädintä testataan simuloimalla ja havaitaan rungon kulmien ja kulmanopeuksien korreloivan painekeskipisteen paikan kanssa, jolloin robotin tasapainoa voidaan säätää epäsuorasti säätimen avulla. Vastaavaa mallipohjaista säätöstrategiaa voitaisiin hyvin hyödyntää myös yleisemmin robottien kokonaisvaltaisessa liikkeenohjauksessa.