Whole-body controllers for jumping humanoid robots

The idea of using robots in dangerous environments, where human life could be at risk, has led to the development of agile robots. A good example is represented by humanoid robots that, thanks to their legs, can face different terrains and overcome obstacles. Currently, walking algorithms are actively studied and the results are really promising. Nevertheless, more dynamical tasks, like jumping and running, are still to be deeply investigated. In our work, we've developed and tested a new control architecture to perform jumps with a humanoid robot. The architecture has been structured to include all the jump phases, but the main contribution of the work focuses only on the launching phase. More in details, the launching controller is constituted by a trajectory planner and by an instantaneous optimization algorithm. The trajectory planner exploits human jumping measurements to generate the robot center of mass velocity profile. The instantaneous optimization instead solves the robot inverse kinematics and generates the control inputs for the robot. A velocity and a torque control mode have been implemented. The algorithm has been tested in simulation using the software Gazebo and on the real platform iCub. It has been shown the importance of imposing null centroidal angular momentum, because if it's different from zero the robot rotates when it detaches from the ground. Jumping tests are one of the first iCub's movements with high joints speed. This permits us to analyse hardware and software issues. On the real robot the velocity control mode has proven to be effective. The torque control mode has produced unsatisfactory results. Different jumping heights have been tested, the maximum center of mass displacement reached by iCub is about 0.04m. Finally, using the feet retraction strategy during the flight phase, we've increased the feet-ground distance.

L'idea di utilizzare i robot in ambienti pericolosi, dove l'incolumità degli esseri umani potrebbe essere intaccata, ha portato allo sviluppo di robot con maggiori capacità di movimento. Un esempio sono i robot umanoidi che, grazie alla presenza delle loro gambe, possono interagire con diversi tipi di terreni e superare ostacoli. Ad oggi, gli algoritmi di controllo della camminata sono ampiamente studiati e i risultati sono molto promettenti. Invece azioni con una dinamicità maggiore come il salto e la corsa vengono studiate in maniera minore. Nel lavoro svolto abbiamo deciso di sviluppare una nuova tecnica di controllo il cui scopo è quello di far saltare un robot umanoide. L'architettura di controllo è stata strutturata per includere tutte le fasi del salto, nel nostro lavoro ci siamo focalizzati solo sulla fase di stacco. Più in dettaglio, il controllore per la fase di stacco è costituto da un generatore di traiettoria e da un algoritmo istantaneo di ottimizzazione. Il generatore di traiettoria, sfruttando misure svolte su salti di essere umani, produce il profilo di velocità del centro di massa. Il problema istantaneo di ottimizzazione risolve la cinematica inversa del robot e genera gli input di controllo per il robot. Due diverse tecniche di controllo, velocità e coppia, sono state implementate. L'algoritmo è stato testato in simulazione usando il software Gazebo e sulla piattaforma reale iCub. È stata dimostrata l'utilità nel imporre nulla la quantità di moto angolare, in quanto, in caso contrario, dopo essersi staccato da terra il robot ruota. I test di salto sono stati uno dei primi movimenti con una dinamicità elevata testati sul robot iCub. Questo ci ha permesso di analizzare le criticità hardware e software. Il controllo in velocità si è dimostrato più efficace sul robot iCub, invece il controllo in coppia ha prodotto dei risultati non soddisfacenti. Diverse altezze di salto sono state testate, la massima variazione raggiunta dal centro di massa è stata di circa 0.04m. Infine, retraendo i piedi durante la fase di volo siamo riusciti ad aumentare la distanza tra i piedi e il terreno.