Estimation et stabilisation de l'état d'un robot humanoïde compliant

par Alexis Mifsud

Thèse de doctorat en Robotique

Sous la direction de Florent Lamiraux et de Mehdi Benallegue.

Soutenue le 17-10-2017

à Toulouse, INPT , dans le cadre de École doctorale Systèmes (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes L.A.A.S. (Toulouse) (laboratoire) .

Le président du jury était Christine Chevallereau.

Le jury était composé de Christine Chevallereau, Tarek Hamel, Pierre-Brice Wieber, Joan Solà Ortega.

Les rapporteurs étaient Christine Chevallereau, Tarek Hamel.


  • Résumé

    Cette thèse traite de l'estimation et de la stabilisation de l'état des compliances passives présentes dans les chevilles du robot humanoïde HRP-2. Ces compliances peuvent être vues comme un degré de liberté unique et observable, sous quelques hypothèses qui sont explicitées. L'estimateur utilise des mesures provenant de la centrale inertielle située dans le torse du robot et éventuellement des capteurs de forces situés dans ses pieds. Un filtre de Kalman étendu est utilisé pour l'estimation d'état. Ce filtre utilise un modèle complet de la dynamique du robot, pour lequel la dynamique interne du robot, considérée comme parfaitement connue et contrôlée, a été découplée de la dynamique de la compliance passive du robot. L'observabilité locale de l'état a été montrée en considérant ce modèle et les mesures provenant de la centrale inertielle seule. Il a de plus été montré que l'ajout des mesures des capteurs de forces dans les pieds du robot permet de compléter l'état avec des mesures d'erreurs dans le modèle dynamique du robot. L'estimateur a été validé expérimentalement sur le robot humanoïde HRP-2. Sur cet estimateur a été construit un stabilisateur de l'état de la compliance d'HRP-2. L'état commandé est la position et vitesse du centre de masse (contrôle indirecte de la quantité de mouvement) du robot, l'orientation et la vitesse angulaire de son tronc (contrôle indirecte du moment cinétique), ainsi que l'orientation et la vitesse angulaire de la compliance. Les grandeurs de commande sont l'accélération du centre de masse du robot et l'accélération angulaire de son tronc. Un régulateur quadratique linéaire (LQR) a été utilisé pour calculer les gains du retour d'état, basé sur un modèle appelé "pendule inverse flexible à roue d'inertie" qui consiste en un pendule inverse dont la base est flexible et où une répartition de masse en rotation autour du centre de masse du robot représente le tronc du robot. Des tests ont été effectués sur le robot HRP-2 en double support, utilisant l'estimateur décrit précédemment avec ou sans les capteurs de forces.

  • Titre traduit

    Estimation and stabilization of the state of a compliant humanoid robot


  • Résumé

    This PhD thesis covers the estimation and stabilization of the passive compliances state wich are located in the HRP-2 humanoid robot ankles. These compliances can be seen as a unique compliance under some assumptions that are presented. The estimator uses measurements coming from an Inertial Measurement Unit (IMU) located in the robot's chest. It also uses measurements coming from forces sensors located in its feet. An Extended Kalman Filter (EKF) is used for state estimation. This filter uses a complete model of the robot dynamics, in which the internal dynamics of the robot, considered as known, is decoupled from the dynamics of its passive compliance. The local observability of the state is shown by considering this model and the measurements coming from the IMU only. Furthermore, it has been shown that, by adding the measurements coming from the forces sensors in the robot's feet, we are able to complete the state with some errors measurements in the dynamical model of the robot. The estimator was validated experimentaly on the HRP-2 humanoid robot. Based on this estimator, a stabilizer of the compliance state of the HRP-2 robot was build. The control state is the position and velocity of the center of mass of the robot, the orientation and angular velocity of its trunk, and the orientation and the angular velocity of the compliance. The control values are the acceleration of the robot's center of mass and the angular acceleration of its trunk. A Linear Quadratic Regulator (LQR) is used to compute the feed-back gains, based on a Viscoelastic Reaction Mass Pendulum model which consist in an inverse pendulum whith a flexible base and where a mass repartition rotating around the center of mass is modeling the robot's trunk. Some tests were made on the HRP-2 robot in double support, using the previous estimator with and without the use of forces sensors


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