Commande énergétique pour la marche des robots bipèdes planaires

Energy based control for planar biped robots

• Auteur / Autrice : Nahla Khraief
• Direction : Kouider Nacer M'Sirdi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et robotique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poincaré, Séries de

Lois de conservation (mathématiques)

Lois de conservation (physique)

Robots mobiles

Robots humanoïdes

Résumé

Dans cette thèse nous proposons une méthodologie de commande pour la marche de robots bipèdes planaires. L'approche proposée se base essentiellement sur les travaux développés par N. K. M'sirdi ainsi que les résultats sur la marche passive sur plans inclinés initiée par Tad McGeer. Nous introduisons la notion de la marche semi passive. En effet, cette dernière consiste en la recherche de cycles périodiques (cycles limites) pour des robots bipèdes mis sur des plans inclinés et soumis à une faible commande externe. Cela par le biais d'une stabilisation d'une posture d'équilibre. Dans ce contexte nous présentons des résultats relatifs à la stabilité par la méthode de Poincaré et la sensibilité des trajectoires. Cependant, de tels cycles limites n'existent pas souvent sur un sol plat. Pour cela nous introduisons une commande additionnelle dans l'objectif de stabiliser des cycles de marches sur sol plat. Nous introduisons ainsi la notion de la commande énergétique. Les résultats ont été validé par des résultats de simulations sur deux types de modèles différents à savoir robot bipède à 5 et à 7 degrés de liberté.

Biped robots have been studied over the past decade to find stable and efficient walking gaits. The importance of these walking robots in accessing hazardous areas, prosthetics and many other possible areas has been the driving force behind biped research. Many mechanical models and control systems have been found to drive these bipeds on slopes and level ground. The concept of passive walking was introduced a decade ago and since then it has intrigued researchers to find control systems based on the existence of passive limit cycles on some shallow slopes. This research focuses on the development of passivity-based control of planar biped robots. The results are extended from well known control laws developed by McGeer , which use slope invariance to drive the biped on different slopes. In this work it is concerned with the walking of an underactuated biped robot on the level ground, imitating the passive walking on a given slope. First, we present the modelling of the biped robot (that is a kneeless and a kneed robot with torso). Then, we focus on the study of the almost passive dynamic walking. In particular, we show that the application of a nonlinear feedback control to stabilize a nominal posture leads the biped robot to perform a stable almost-passive dynamic walking when dealing with motions on a downhill a slope. More such control also leads the system trajectories to converge towards stable limit cycles. In this context, we present some results based on both Poincaré map method and trajectory sensitivity analysis to efficiently characterize the stability of the almost-passive limit cycles. However, such limit cycles may not exist for all ground configurations especially when dealing with motions on the level ground. This involves to introduce some complementary control scheme. In this purpose, we present some theoretical and simulation results based on the use of recent control method (referred to as Controlled Limit Cycles), which considers the system energy for both controller design and system stabilization.