Object oriented control system in humanoid robots for transport tasks

Abstract

Humanoid robot research is one of the most challenging topics in robotics. The research in this field has been inspired by the fact that these machines replicate the human shape and, in the end, human behaviour. Many humanoid robots have been presented in the last decades, but their behaviour is far from human performance. Therefore, the improvement of humanoid performance is one of the main goals in the field, mimicking as much as possible human tasks. This Thesis has been focused on the development of one of these behaviours and the study of open questions related to its performance. Concretely, the main goal of this thesis is to integrate a waiter behaviour in the humanoid robot TEO from the Carlos III University of Madrid. This behaviour consists of transporting objects on a tray, imitating the human task of a waiter, but this research must face different problems. The first problem to deal with is the balance of the robot. One of the essential characteristics of a humanoid robot is its capacity of upright stance and walking. Humanoid robot balance has been one of the main problems studied from the beginning of the development of this kind of robots. Keeping balance is still a matter of study in humanoid robotics, and it is crucial to develop tasks. Due to the complexity of this problem, its study is favoured using simple representations of the humanoid balance behaviour, such as the simple inverted pendulum. This kind of simplifications makes the study of the balance problem computationally easier, but it does not solve all questions related to balance. This Thesis has dealt with balance problem because it should be a key feature for a waiter robot. A new simplified model has been proposed as an improvement of the classic Linear Inverted Pendulum Model (LIPM). Its development is based on an experimental procedure that allows tackling many inherent problems of humanoid mechanics, electronics, computing, and more at the same time. The results show that this improvement reduces the control effort need for keeping balance during the waiter task. The second problem faced in this Thesis is related to manipulation that is another essential characteristic defining the human being: the capacity of manipulating objects. In this Thesis has been treated a specific case of manipulation. In the waiter task performance, usually the objects are transported on a tray, and no gripping force is applied to them. Then another problem arises: to transport the objects keeping their equilibrium or balance. Thanks to the use of exoceptive perceptions of the robot (vision, force, etc.) are possible to interpret the balance status of the objects transported. This sensorial information and its application with a simple inverted pendulum model enable the balance control of the object. Finally, the results obtained from the study of the two main problems exposed have been integrated into a Whole-Body Postural Control architecture. It accomplishes with all the requirements needed for performing the waiter task.

La investigación en robots humanoides es uno de los temas más desafiantes en robótica. La investigación en este campo se ha inspirado en el hecho de que estas máquinas reproducen la forma humana y, por ende, el comportamiento humano. Muchos robots humanoides han sido presentado en las últimas décadas, pero su comportamiento está lejos de ser humano. Por lo tanto, la mejora el rendimiento en humanoides es uno de los objetivos principales en este campo, imitando la mayor cantidad posible de tareas humanas. Esta tesis se ha centrado en el desarrollo de uno de estos comportamientos y el estudio de preguntas aún sin resolver relacionadas con su desempeño. Concretamente, el objetivo principal de esta tesis es integrar el comportamiento de un camarero en el robot humanoide TEO de la Universidad Carlos III de Madrid. Este comportamiento consiste en transportar objetos en una bandeja, imitando la tarea humana de un camarero, pero esta investigación debe enfrentar diferentes problemas. El primer problema a lidiar es el equilibrio del robot. Una de las características esenciales de un robot humanoide es su capacidad de mantenerse erguido o caminar. El equilibrio de humanoides ha sido uno de los principales problemas estudiados desde que se comenzó a desarrollar estos robots. Mantener el equilibrio sigue siendo un tema de estudio en robótica humanoide, y es crucial para desarrollar tareas. Debido a la complejidad de este problema, este estudio se ve favorecido por el uso de representaciones simples del comportamiento del equilibrio humanoide, como el péndulo invertido simple. Este tipo de simplificaciones hace que el estudio del problema del equilibrio sea computacionalmente más fácil, pero no resuelve todas las preguntas relacionadas con éste. Esta tesis ha tratado el problema porque debería ser una característica clave para un robot camarero. Se ha propuesto un nuevo modelo simplificado como una mejora del clásico modelo de péndulo invertido lineal (LIPM). Su desarrollo se basa en un procedimiento experimental que permite abordar muchos problemas inherentes de la mecánica humanoide, la electrónica, la informática y más al mismo tiempo. Los resultados muestran que esta mejora reduce el esfuerzo de control necesario para mantener el equilibrio durante la tarea del camarero. El segundo problema enfrentado en esta Tesis está relacionado con la manipulación, que es otra característica esencial que define al ser humano: la capacidad de manipular objetos. En esta Tesis se ha tratado un caso específico de manipulación. En el desempeño de la tarea del camarero, generalmente los objetos se transportan en una bandeja y no se les aplica fuerza de agarre, pero entonces surge otro problema: transportar los objetos manteniendo su equilibrio o equilibrio. Gracias al uso de percepciones exoceptivas del robot (visión, fuerza, etc.) es posible interpretar el estado de equilibrio de los objetos transportados. Esta información sensorial y su aplicación con un modelo de péndulo invertido simple permite el control del equilibrio del objeto. Finalmente, los resultados obtenidos del estudio de los dos problemas principales expuestos se han integrado en una arquitectura de control postural de cuerpo entero, la cual, cumple con todos los requisitos necesarios para realizar la tarea de camarero.