Analysis and synthesis of balancing controllers for humanoid robots

This thesis contributes towards the improvement of balancing controllers for torque controlled humanoid robots, referring specifically to the humanoid robot iCub. iCub balancing control is achieved through a fairly widespread approach in robotics’ environment, the so-called “Stack of Task”. The main approach’s idea is the following: assume that one is given with a manipulator that endows more degrees of freedom than those of the primary control task. Then, the remaining degrees of freedom can be used for achieving control tasks of lower priority, i.e. their achievement is not ensured a-priori. In the case no other control task is given, the desired properties is that the robot’s “free” degrees of freedom stay bounded, or, even better, they are asymptotically stable w.r.t an equilibrium point compatible with the primary control task. In this thesis, a local stability analysis in the joint space of a system which is controlled through the “Stack of Task” approach is performed. This analyis allowed to define the conditions for the controlled system to be locally asymptotically stable, and to properly modify the iCub balancing controller to achieve this goal. The analysis also pointed out some limits of this type of control, that make it particularly problematic in view of the possible development of a walking robot. To deal with these limitations we set up a different “Joint Space” controller, in which the task-based structure is moved out of the control loop, for the definition of joint space reference variables. This solution allowed to obtain better results with respect of the previous controller concerning the future development of a walking control. Finally, both controllers have been tested in a Matlab simulator specifically developed during this work of thesis, and the “Joint Space” controller will be soon implemented on the real robot iCub, to substitute the previous controller.

In questa tesi vengono approfonditi alcuni aspetti del controllo del bilanciamento di robot umanoidi, facendo riferimento, nello specifico, al robot umanoide iCub. iCub è controllato in coppia mediante un approccio abbastanza diffuso in robotica, il cosidetto “Stack of Task”. L’idea alla base è la seguente: si consideri un robot con più gradi di libertà rispetto a quelli richiesti per realizzare un determinato obiettivo di controllo, che si desidera abbia la massima priorità. In questo caso, è possibile definire ulteriori obiettivi di controllo secondari, il cui raggiungimento non è assicurato a priori perchè subordinati al conseguimento dell’obiettivo primario. Una proprietà attesa è che il sistema così controllato sia localmente asintoticamente stabile rispetto ad un punto di equilibrio compatibile con l’obiettivo primario. In questa tesi viene proposta un’analisi della stabilità locale dello spazio dei giunti di un sistema controllato mediante l’approccio “Stack of Task”. L’analisi ha permesso di stabilire sotto quali condizioni sia possibile ottenere la stabilità locale del sistema controllato ed è quindi stata proposta una modifica del controllo di iCub tale da assicurarne il conseguimento. L’analisi ha anche messo in evidenza alcuni limiti di questo tipo di controllo, che ne renderebbero particolarmente problematico un eventuale sviluppo finalizzato alla camminata del robot. Per meglio gestire questi limiti è stato sviluppato un controllore differente nel quale il controllo del robot è realizzato interamente nello spazio dei giunti, mentre la struttura dello “Stack of Task” è stata spostata nel calcolo in feedforward dei riferimenti ai giunti tramite cinematica inversa. Questa soluzione ha permesso di ottenere risultati migliori rispetto al controllo precedente in relazione ad un futuro sviluppo del controllore per la camminata del robot. Infine, entrambi i controllori sono stati testati e validati in Matlab, in un nuovo ambiente di simulazione appositamente sviluppato durante il lavoro di tesi, e il secondo controllo presentato verrà a breve implementato su iCub in sostituzione del precedente.