Modeling and control of humanoid robot locomotion

In this thesis work continuous gait of bipedal walking robot is investigated. Usually, the robots studied in the literature are characterized either by a lot of actuated degrees of freedom and so by the possibility to move as they want or by the impossibility to modify their gait (e.g. the passive walkers) since they do not have actuated degrees of freedom. Among these two main groups of bipedal walking robots, the robot analysed in this paper is something in the middle way, since it combines aspects of both the groups. Indeed, it is characterized by legs with just two degrees of freedom each, one in the sagittal plane and one in the frontal one, and the walking paramenter can be adjusted according what the situation requires. As a consequence of the robot design, that wants to be as simple as possible, getting continuous walk is much more complicated and proper synchronization of the motions is required. Rhythmic walking is used to make the robot move forward: the sway motion in the frontal plane creates clearance between the foot and the ground to allow the leg to swing. Two linear 2D models are used to study the behavior of the robot in the sagittal and frontal planes. Once the limit values for velocities and accelerations of the robot are derived from the model, a minimally viable platform, developed by the Machine Intelligence Department of IBM named Kate, is used to evaluate the validity and the performances of the method used. The results show a good capability of the robot to walk over flat surfaces and also the capability to reject some type of external disturbances due to the uneveness of the ground.\\ Furthermore, a simple control is implemented in order to make the robot gait more robust, keeping the Zero Moment Point inside the supporting foot, and to enhance the ability of the robot to walk over non-ideal surfaces.

In questo lavoro di tesi viene studiata la camminata in continuo di robot bipedi. La tecnica di camminata utilizzata, chiamata \textit{camminata ritmica}, consiste nel sincronizzare il movimento del robot nel piano frontale con quello nel piano frontale.\\ L'oscillazione del robot nel piano frontale crea dello spazio libero tra il piede e il terreno, consentendo in questo modo alla gamba di avanzare. Due modelli lineari 2D vengono utilizzati per studiare il comportamento del robot nel piano sagittale e frontale.\\ Una volta che i valori limite in termini di accelerazioni e velocità del robot sia per il piano frontale che per il piano sagittale sono ricavati dal modello, una piattaforma di nome Kate sviluppata dal Dipartimento di Machine Intelligence di IBM viene utilizzata per testare la validità e l'efficacia del metodo utilizzato.\\ I risultati mostrano una buona capacità del robot di camminare su superfici piane e anche una discreta capacità di compensare disturbi dovuti all'ambiente circostante.\\ Inoltre è stato implementato un semplice controllo che mira a rendere la camminata del robot più robusta e ad aumentare la capacità del robot di compensare disturbi esterni.\\ Il tipo di controllo implementato lavora cercando di tenere lo Zero Moment Point all'interno del piede di supporto.