Design and intelligent control of an energy efficient humanoid robot

This work of thesis deals both with design and intelligent control of a humanoid robot, and its main aim is to develop an energy-efficient and dynamically stable locomotion. In the first part, we present a systematic method to evaluate the energy efficiency of a biped robot. This method is then used to obtain some information about the performance of materials and actuators that could be used for design. Results collected are integrated with the experience of previous works, and finally summarized to suggest some efficient configurations. These indications are meant to be used for future developments of LARP, the humanoid robot of the AIRLab, Politecnico di Milano. The method adopted, however, is general enough to produce valid results for any robot, and we hope our considerations will also help in evaluating design choices for future humanoid robots. In the second part, instead, we propose some possible enhancements to the controller developed at Institute Mihailo Pupin, Belgrade, Serbia, in order to improve its performance in terms of stability and efficiency of the robot. Moreover, the on-line joint trajectories update we developed makes the robot capable of learning from the experience acquired. These two parts, combined together, permitted us to go through all the main steps of the process of development of an energy efficient and dynamically stable humanoid robot.

Il lavoro di tesi presentato in questo documento affronta tanto il design, quanto lo sviluppo di un sistema di controllo per robot umanoide. L'obiettivo primario è ottenere una camminata dinamicamente stabile ed energeticamente efficiente. Nella prima parte è presentato un metodo per valutare sistematicamente l'efficienza energetica di un robot bipede. Questo metodo è poi utilizzato per confrontare le performance energetiche della camminata a seconda delle diverse scelte di design considerate; in particolare l'attenzione è focalizzata sulla scelta dei materiali per la struttura del robot e sugli attuatori. I risultati osservati sono poi integrati con le indicazioni ricavate da esperienze di ricerca precedenti, e riassunti in possibili configurazioni da adottare per ottenere il design di un robot efficiente. Queste indicazioni saranno utilizzate per lo sviluppo di LARP, il robot bipede dell'AIRLab del Politecnico di Milano. Il metodo utilizzato è però sufficientemente generico da rendere queste informazioni valide per lo sviluppo di altri robot umanoidi. Nella seconda parte della tesi ci concentriamo invece sul controllo del robot. Grazie alla collaborazione con l'Institute Mihailo Pupin di Belgrado, Serbia, abbiamo avuto la possibilità di basare la nostra ricerca sull'ultima versione del sistema di controllo ivi sviluppato. Abbiamo individuato due possibili miglioramenti al sistema corrente, che permettono di aumentare le prestazioni della camminata in termini di stabilità ed efficienza. La prima modifica prevede di introdurre una traiettoria di riferimento dello ZMP variabile. La seconda permette invece di aggiornare on-line la traiettoria di riferimento dei giunti, rendendo quindi il robot in grado di migliorare le prestazione della propria camminata con l'esperienza acquisita. La combinazione di queste due parti della tesi, design e controllo del robot, ci hanno permesso di affrontare le principali fasi dello sviluppo di un robot umanoide dinamicamente stabile ed energeticamente efficiente.