Soutenance de thèse de Qiuyue LUO (équipe ReV)

Qiuyue Luo, doctorante au sein de l’équipe ReV, soutiendra sa thèse intitulée « Marche Bipède 3D Auto-Stabilisante » / « Self-stabilization of 3D walking of a biped robot »

jeudi 18 juin 2020 à 10h en visioconférence.

Jury :
– Rapporteurs : Olivier STASSE (Directeur de recherche, CNRS, LAAS, Toulouse), Andrea CHERUBINI (MC HDR, Associate Professor – LIRMM Université de Montpellier)
– Examinateurs: Jean Paul LAUMOND (Directeur de recherche CNRS émérite), Yannick AOUSTIN (Professeur Université de Nantes), Claude MOOG (Directeur de recherche CNRS)
– Directrice de thèse: Christine CHEVALLEREAU (Directrice de recherche CNRS)

Résumé : Les robots humanoïdes, bien adaptés pour évoluer dans le milieux humains, peuvent avec leurs bras et mains effectuer des tâches complexes. Ils peuvent être considérés comme l’un des robots ultimes. Cependant, la marche bipède reste un phénomène complexe qui n’a pas été entièrement compris.
La thèse est consacrée à trouver quelques caractéristiques physiques qui peuvent expliquer la stabilité de la marche périodique sur le sol horizontal. Dans la marche humaine, la démarche est généralement exprimée en fonction d’une variable de phase fondée sur l’état interne au lieu du temps. Les variables commandées (trajectoires du pied libre, oscillation verticale du centre de masse (CdM), mouvement du haut du corps, etc.) des robots ont une évolution désirée exprimée en fonction d’une variable de phase via l’utilisation de contraintes virtuelles et la durée des pas n’est pas explicitement imposée mais implicitement adaptée en présence de perturbations.
Dans la première partie, un modèle simplifié du robot: le modèle du pendule inversé linéaire (LIP) est utilisé pour étudier les stratégies de commande. L’influence du placement du pied libre sur le sol et les conditions de changement de jambe d’appui, en fonction du temps ou de l’état interne du robot sont étudiées. Il est montré que l’auto-synchronisation peut être obtenue lorsque la condition de transfert de la jambe d’appui est fondée sur une combinaison linéaire des positions du CdM le long des axes sagittal et frontal. De plus, l’auto-stabilisation peut être obtenue lorsque la vitesse du CdM dans le plan sagittal est prise en compte.
Afin d’analyser l’influence de l’oscillation verticale du CdM du robot sur la stabilité de marche, le modèle de pendule inversé de longueur variable (VLIP) est utilisé. Il est démontré que l’oscillation verticale du CdM, le placement du pied libre et le choix de la condition de transfert jouent un rôle crucial dans la stabilité.
Dans la dernière partie un nouveau modèle de marche, nommé le modèle essentiel est proposé. Il a la même dimension que le modèle 3D LIP mais il prend en compte la dynamique complète de l’humanoïde. Le modèle essentiel définit la dynamique de la position horizontale du CdM en fonction d’une trajectoire souhaitée du zéro moment point (ZMP). Les trajectoires de référence des variables commandées sont définies en fonction des états internes du robot et/ou d’informations externes, générant ainsi des modèles à des fins différentes. La stratégie de commande proposée pour les modèles LIP et VLIP est étendue à travers le modèle essentiel pour commander un modèle humanoïde complet.

Mots-clés : Humanoid and bipedal locomotion, passive walking, dynamic stability, hybrid systems, modeling

Abstract: Humanoid robot, which can walk by two legs and perform skillful tasks using both arms with hands, could be considered as one of the ultimate robots. However, bipedal walking remains a complex phenomenon that has not been fully understood.
The thesis is dedicated to find some physical insights that can explain the stability of periodic walking on horizontal floor. In human walking, the gait is usually expressed as a function of a phasing variable based on the internal state instead of time. The controlled variables (swing foot trajectories, vertical oscillation of center of mass (CoM), upper body motion, etc.) of the robots are based on a phasing variable via the use of virtual constraints and the step timing is not explicitly imposed but implicitly adapted under disturbances.
In the first part, a simplified model of the robot: the linear inverted pendulum (LIP) model is used to study control strategies. Landing positions of the swing foot, and conditions to switch the stance leg, based on time or on the internal state of the robot are studied. It is shown that self-synchronization can be obtained when the switching condition of the stance leg is based on a linear combination of the positions of the center of mass (CoM) along the sagittal and frontal axes. Moreover, self-stabilization can be obtained when the velocity of the CoM in the sagittal plane is taken into account
In order to analyze the influence of the vertical oscillation of the robot CoM on walking stability, the variable length inverted pendulum (VLIP) model is used. It is shown that the vertical CoM oscillation, the landing positions of the swing foot and the choice of the switching condition play a crucial role in stability.
In the last part, the essential model is proposed, which is a novel model for walking that has the same dimension as the 3D LIP model but considers the complete dynamics of the humanoid. The essential model defines the dynamics of the horizontal position of the CoM as a function of a desired trajectory of the ZMP. Reference trajectories of the controlled variables are defined based on the internal states of the robot and possible external information, thereby generating models for different purposes. The proposed control strategy for the LIP and VLIP models is extended through the essential model to control a complete humanoid model.

Keywords: Humanoid and bipedal locomotion, passive walking, dynamic stability, hybrid systems, modeling