Humanoid Balance Control: A Comprehensive Review Sergei Poskriakov 2006 Université de Genève | Sciences | Dépt. d’Informat...
Introduction <ul><li>Robotique humanoïde : intérêt croissant </li></ul><ul><ul><li>grâce aux développements de modèles réc...
Quelques modèles humanoïdes <ul><li>Sony QRIO (2003) 60cm / 7kg interaction humaine, activités ludiques </li></ul><ul><li>...
Méthodes de contrôle d’équilibre <ul><li>Offline :  (p.ex. séquences de marche) </li></ul><ul><ul><li>simulation    optim...
Plan <ul><li>Forces et moments </li></ul><ul><ul><li>équations régissant un état d’équilibre d’un robot humanoide </li></u...
Forces et moments (1) <ul><li>Équilibre translation: </li></ul>  Q i  : perturbations externes R l ,  R r  : réaction de...
Forces et moments (2) <ul><li>Équilibre rotationnel autour du point O: </li></ul> σ   : somme des moments de perturbation...
Forces et moments (3) <ul><li>Cas simplifié : sol plane, pas de perturbations externes </li></ul>est fonction des vitesses...
Polygone  de support (1) <ul><li>surface plane     enveloppe convexe des points de contact avec le sol </li></ul><ul><ul>...
Polygone de support (2) <ul><li>contact non-plane    projection sur une surface de contact « virtuelle » </li></ul><ul><u...
Centre de masse (CoM et GCoM) <ul><li>point d’application de la résultante des forces de gravité  m g </li></ul><ul><ul><l...
Centre de Pression (CoP) <ul><li>point d’application de la résultante des forces de  pression  du sol t.q. moment nul [2] ...
Zero Moment Point (ZMP) (1) <ul><li>point au sol où le moment tangentiel dû à l’inertie et à la gravité est nul [2] </li><...
Zero Moment Point (ZMP) (2) <ul><li>critère de stabilité très répandu </li></ul><ul><li>en pratique : </li></ul><ul><ul><l...
Foot Rotation Indicator (FRI) (1) <ul><li>point où le moment total agissant sur le pied (sans l’interaction avec le sol) e...
Foot Rotation Indicator (FRI) (2) <ul><li>propriétés : </li></ul><ul><ul><li>indépendant de la géométrie exacte du pied </...
Zero Rate of Angular Momentum (ZRAM) (1) <ul><li>point obtenu par projection du CoM  G  le long de  R , la résultante des ...
Zero Rate of Angular Momentum (ZRAM) (2) <ul><li>nécessite le calcul de  </li></ul><ul><li>trois approches proposées : </l...
HOAP-2 : Senseurs de charge (1) <ul><li>HOAP-2 : 8 senseurs </li></ul><ul><ul><li>4 sur chaque pied </li></ul></ul><ul><ul...
HOAP-2 : Analyse d’une marche (1)
HOAP-2 : Analyse d’une marche (2) <ul><li>pour un pied : oscillations </li></ul><ul><ul><li>avant/arrière (rouge/bleu) </l...
HOAP-2 : Analyse d’une marche (3) <ul><li>problème : </li></ul><ul><ul><li>la charge totale est bien en-dessous du poids a...
HOAP-2 : Senseurs de charge (2) <ul><li>offrent des indications utiles </li></ul><ul><ul><li>single/double support </li></...
Conclusion <ul><li>Nous avons présenté et décrit des indicateurs de stabilité humanoïde  </li></ul><ul><ul><li>pouvant ser...
Questions ?
Références <ul><li>[1] J. O'Rourke, “Computational Geometry in C: Downloadable code and other resources”, 1998,  http://so...
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  1. 1. Humanoid Balance Control: A Comprehensive Review Sergei Poskriakov 2006 Université de Genève | Sciences | Dépt. d’Informatique EPFL | LSL | BIRG
  2. 2. Introduction <ul><li>Robotique humanoïde : intérêt croissant </li></ul><ul><ul><li>grâce aux développements de modèles récents </li></ul></ul><ul><ul><li>applications potentielles au quotidien </li></ul></ul><ul><li>Contrôle d’équilibre : </li></ul><ul><ul><li>on veut des robots stables </li></ul></ul><ul><ul><li>capables de réagir à des perturbations imprévues </li></ul></ul>
  3. 3. Quelques modèles humanoïdes <ul><li>Sony QRIO (2003) 60cm / 7kg interaction humaine, activités ludiques </li></ul><ul><li>Honda ASIMO (2005) 130cm / 54kg réception, porte-charge </li></ul><ul><li>Fujitsu HOAP-2 (2004) 50cm / 7kg H umanoid for O pen A rchitecture P latform </li></ul>
  4. 4. Méthodes de contrôle d’équilibre <ul><li>Offline : (p.ex. séquences de marche) </li></ul><ul><ul><li>simulation  optimisation  séquence réelle </li></ul></ul><ul><ul><li>optimisation selon des critères de stabilité </li></ul></ul><ul><ul><li>pas robuste aux perturbations imprévues </li></ul></ul><ul><li>Online : (p.ex. porter un poids arbitraire) </li></ul><ul><ul><li>corrections en temps réel </li></ul></ul><ul><ul><li>réactions à toute sorte de perturbations </li></ul></ul><ul><ul><li>attention au délai de réaction ! </li></ul></ul>
  5. 5. Plan <ul><li>Forces et moments </li></ul><ul><ul><li>équations régissant un état d’équilibre d’un robot humanoide </li></ul></ul><ul><li>Indicateurs de stabilité </li></ul><ul><ul><li>Centre de Masse (CoM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Centre de Pression (CoP) </li></ul></ul><ul><ul><li>Zero Moment Point (ZMP) </li></ul></ul><ul><ul><li>Foot Rotation Indicator (FRI) </li></ul></ul><ul><ul><li>Zero Rate of Angular Momentum (ZRAM) </li></ul></ul><ul><li>HOAP-2 : Senseurs de charge </li></ul><ul><ul><li>modélisation dans Webots </li></ul></ul><ul><ul><li>analyse d’une séquence de mouvements </li></ul></ul><ul><li>Conclusion </li></ul>
  6. 6. Forces et moments (1) <ul><li>Équilibre translation: </li></ul>  Q i : perturbations externes R l , R r : réaction de contact au sol
  7. 7. Forces et moments (2) <ul><li>Équilibre rotationnel autour du point O: </li></ul> σ : somme des moments de perturbation externes M = M l + M r : moment de réaction de contact au sol M ⊥ sol (glissement)  négligeable
  8. 8. Forces et moments (3) <ul><li>Cas simplifié : sol plane, pas de perturbations externes </li></ul>est fonction des vitesses et accélérations angulaires, des matrices d’inertie et de rotation de chaque segment avec :
  9. 9. Polygone de support (1) <ul><li>surface plane  enveloppe convexe des points de contact avec le sol </li></ul><ul><ul><li>en pratique : enveloppe convexe des coins en contact avec la surface de support </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>déterminés grâce aux capteurs de charge (online) ou directement du moteur de simulation (offline) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>enveloppe convexe avec « Graham scan » [1] </li></ul></ul></ul>cas typiques de contact (polygone de support en gris)
  10. 10. Polygone de support (2) <ul><li>contact non-plane  projection sur une surface de contact « virtuelle » </li></ul><ul><ul><li>cas de deux surfaces intersectées : </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>surface virtuelle passe par la droite d’intersection </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>normale définie par somme pondérée (par charge locale) des normales aux deux surfaces </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>cas de deux surfaces parallèles : </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>surface virtuelle se situe entre les deux </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>répartition proportionnelle aux charges locales </li></ul></ul></ul>
  11. 11. Centre de masse (CoM et GCoM) <ul><li>point d’application de la résultante des forces de gravité m g </li></ul><ul><ul><li>déterminé par somme pondérée des centres de masse de chaque segment : </li></ul></ul><ul><ul><li>illustration : critère de stabilité statique </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>projection du CoM sur la surface du sol (GCoM)  pivot si en-dehors (a) ou stable si dedans (b) </li></ul></ul></ul>
  12. 12. Centre de Pression (CoP) <ul><li>point d’application de la résultante des forces de pression du sol t.q. moment nul [2] </li></ul><ul><ul><li>contact au sol = pression + friction </li></ul></ul><ul><ul><li>CoP : intersection de l’axe où le moment des forces de contact est normal au sol, avec la surface du sol </li></ul></ul><ul><li>CoP toujours à l’intérieur du polygone de support </li></ul>
  13. 13. Zero Moment Point (ZMP) (1) <ul><li>point au sol où le moment tangentiel dû à l’inertie et à la gravité est nul [2] </li></ul><ul><ul><li>i.e., pas de tendance à basculer </li></ul></ul><ul><ul><li>en équilibre : ZMP = CoP </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>ZMP « sort » du polygone de support  déséquilibre </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>on parle alors de ZMP fictif (FZMP) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>CoP reste (au pire) au bord du polygone de support </li></ul></ul></ul>
  14. 14. Zero Moment Point (ZMP) (2) <ul><li>critère de stabilité très répandu </li></ul><ul><li>en pratique : </li></ul><ul><ul><li>certains robots déterminent le CoP/ZMP automatiquement (hardware) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>p.ex. HOAP-2 de Fujitsu </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>en simulation, deux approches : </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>déterminer le CoP (  à l’intérieur du polygone de support) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>calculer le ZMP/FZMP (  degré d’ in stabilité) </li></ul></ul></ul><ul><li>méthode de contrôle usuelle : </li></ul><ul><ul><li>planification de trajectoire ZMP et correction lorsque le ZMP effectif dévie (online ou offline) </li></ul></ul>
  15. 15. Foot Rotation Indicator (FRI) (1) <ul><li>point où le moment total agissant sur le pied (sans l’interaction avec le sol) est normal à la surface [4] </li></ul><ul><ul><li>i.e., pas de basculement </li></ul></ul><ul><ul><li>à l’intérieur ou à l’extérieur du polygone de support </li></ul></ul><ul><li>défini par l’équation : </li></ul><ul><ul><li>F est le point où le CoP P devrait se trouver pour l’équilibre statique du pied </li></ul></ul>
  16. 16. Foot Rotation Indicator (FRI) (2) <ul><li>propriétés : </li></ul><ul><ul><li>indépendant de la géométrie exacte du pied </li></ul></ul><ul><ul><li>quantifie le moment au pied non-compensé dû au reste du corps </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>proportionnel à la distance du FRI au bord du polygone de support </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>offre une marge de (in)stabilité </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>quantifiée par la distance au bord le plus proche </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>FRI à l’intérieur du polygone de support  stabilité </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>FRI en-dehors du polygone de support  instabilité </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>cas réels : FRI = CoP si le pied est au repos ou en mouvement uniforme (linéaire et angulaire) </li></ul></ul><ul><li>observations : </li></ul><ul><ul><li>contexte limité à la phase de single support </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>un seul pied au contact avec le sol </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>applications pratiques ? </li></ul></ul>
  17. 17. Zero Rate of Angular Momentum (ZRAM) (1) <ul><li>point obtenu par projection du CoM G le long de R , la résultante des forces de contact au sol </li></ul><ul><ul><li>basé sur l’observation que le robot est rotationnellement stable si la variation du moment angulaire est nulle [3] </li></ul></ul><ul><ul><li>en règle générale : </li></ul></ul><ul><ul><li>mais : serait nul si R passait par le point A au lieu du point P (le CoP) </li></ul></ul>A est appelé le point ZRAM, et la distance AP est utilisée comme indicateur d’instabilité
  18. 18. Zero Rate of Angular Momentum (ZRAM) (2) <ul><li>nécessite le calcul de </li></ul><ul><li>trois approches proposées : </li></ul><ul><ul><li>élargir le polygone de support pour inclure le point ZRAM A </li></ul></ul><ul><ul><li>déplacer le CoM G de manière à ce que la ligne de R passe par G </li></ul></ul><ul><ul><li>changer la direction de R en contrôlant l’accélération au CoM </li></ul></ul><ul><li>en pratique : </li></ul><ul><ul><li>in stabilité quantifiable </li></ul></ul><ul><ul><li>applicable à toute configuration du sol </li></ul></ul><ul><ul><li>mais : efficacité reste à prouver (pas d’implémentations connues) </li></ul></ul>
  19. 19. HOAP-2 : Senseurs de charge (1) <ul><li>HOAP-2 : 8 senseurs </li></ul><ul><ul><li>4 sur chaque pied </li></ul></ul><ul><ul><li>permettent de déterminer le CoP/ZMP (hardware) </li></ul></ul><ul><li>Webots : modélisation par des nœuds TouchSensor du type force </li></ul><ul><ul><li>nœuds identiques </li></ul></ul><ul><ul><li>retour : force exprimée en [10N] </li></ul></ul><ul><ul><li>noms : correspondant aux numéros de channel des specs HOAP-2 [5] </li></ul></ul>
  20. 20. HOAP-2 : Analyse d’une marche (1)
  21. 21. HOAP-2 : Analyse d’une marche (2) <ul><li>pour un pied : oscillations </li></ul><ul><ul><li>avant/arrière (rouge/bleu) </li></ul></ul><ul><ul><li>parfois gauche/droite (triangle/carré) </li></ul></ul>appui sur l’arrière du pied gauche uniquement appui sur le côté gauche du pied uniquement
  22. 22. HOAP-2 : Analyse d’une marche (3) <ul><li>problème : </li></ul><ul><ul><li>la charge totale est bien en-dessous du poids attendu du robot </li></ul></ul>phase de double support indication du poid du robot (~7[kg]  70[N])
  23. 23. HOAP-2 : Senseurs de charge (2) <ul><li>offrent des indications utiles </li></ul><ul><ul><li>single/double support </li></ul></ul><ul><ul><li>oscillations </li></ul></ul><ul><ul><li>charge relative distribuée sur le pied </li></ul></ul><ul><li>problèmes : </li></ul><ul><ul><li>valeurs : charge totale ne correspond pas à la charge attendue </li></ul></ul><ul><ul><li>simulation Webots ralentie (même en basse résolution) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>1x  ~0.8x </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>instabilité ? </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>le modèle modifié tombe avant d’achever la séquence « sumo » </li></ul></ul></ul><ul><li>conclusion : meilleure implémentation nécessaire </li></ul><ul><ul><li>pour pouvoir effectuer des calculs fiables (méthodes online) </li></ul></ul><ul><ul><li>programmation au niveau de la librairie physique ? </li></ul></ul>
  24. 24. Conclusion <ul><li>Nous avons présenté et décrit des indicateurs de stabilité humanoïde </li></ul><ul><ul><li>pouvant servir de base à un contrôle d’équilibre </li></ul></ul><ul><ul><li>dont certains n’ont pas été explorés en pratique  voies futures prometteuses </li></ul></ul><ul><li>Les nœuds standards Webots ne permettent pas une modélisation fiable des senseurs de charge du HOAP-2 </li></ul><ul><ul><li>recherche nécessaire pour améliorer l’implémentation </li></ul></ul>
  25. 25. Questions ?
  26. 26. Références <ul><li>[1] J. O'Rourke, “Computational Geometry in C: Downloadable code and other resources”, 1998, http://softsurfer.com/Archive/algorithm_0109/ </li></ul><ul><li>[2] P. Sardain and G. Bessonet, “Forces acting on a biped robot. Center of pressure-zero moment point”, IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Part A , vol. 34, no. 5, pp. 630-637, 2004 </li></ul><ul><li>[3] A. Goswami and V. Kallem, “Rate of change of angular momentum and balance maintenance of biped robots”, Proc, IEEE Intl. Conf. on Robotics and Automation , vol. 4, pp. 3785-3790, 2004 </li></ul><ul><li>[4] A. Goswami, “Postural stability of biped robots and the foot rotation indicator (FRI) point”, International Journal of Robotics Research , vol. 18, no. 6, pp. 523-533, 1999 </li></ul><ul><li>[5] Fujitsu Automation Ltd., “HOAP-2 Instruction Manual”, Rev.3, 2004 http://www.automation.fujitsu.com/en/products/pro09/hoap2instruction03e.pdf </li></ul>

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