Modeling and control of the anthropomimetic robot with antagonistic joints in contact and non-contact tasks

Abstract

The thesis considers a very popular and rapidly growing topic in robotics – modeling and control of anthropomimetic robots, in particular robots that feature compliant antagonistic actuation. The term ‘anthropomimetic’ refers to a robot of fully human-like appearance, but also human-like inner structure and functionality. The motivation for the thesis came from the involvement of the author and the School of Electrical Engineering, University of Belgrade in the project Eccerobot (Embodied Cognition in a Compliantly Engineered Robot), funded by European 7th Framework Programme, and the project Ambient Intelligent Service Robots of Anthropomorphic Characteristics funded by Serbian Ministry of Education, Science and Technological Development. Since conventional rigid actuators have become obsolete for inherently-safe future robotic applications, the design and control of novel compliant actuators have recently been under intensive investigation. In particular, variable stiffness (impedance) actuators (VSAs), which can trade-off between robot trajectory tracking and overall safety, are the focus of robotics research. We focus on antagonistically-driven joints, as a subgroup of bio-inspired VSAs. The thesis is organized in six sections and bibliography. The first section outlines the main ideas and motivation for the work. It presents research directions, points of view and initiatives in the design and control of compliant robots, with special emphasis on antagonistic drives. It also addresses safety issues of future service robots, and lists technologies, trends, and approaches towards achieving that goal: moving from stiff to compliant actuators, the benefits introduced by passive and active compliance, VSA, etc. As a special group of bio-inspired VSAs in robotics, antagonistic actuators are reviewed comprehensively. Such a detailed review of antagonistic actuator design aims to highlight the importance of the subject, on the one hand, while on the other hand it presents the technology that will be intensively exploited in future anthropomimetic robots...

У тези је обрађена врло актуелна тема у области роботике - моделирање и управљање антропомиметичким роботима, посебно оним са еластичним антагонистичким погонима. Појам антропомиметички се односи на робота који подсећа на човека не само својим изгледом, већ и унутрашњом структуром и функционалношћу. Мотивација за израду ове дисертације је произишла из активности аутора на Електротехничком факултету у Београду, а у оквиру пројекта Eccerobot - Embodied Cognition in a Compliantly Engineered Robot, финансираног од стране седмог оквирног програма Европске уније и пројекта „Амбијентално интелигентни сервисни робота антропоморфних карактеристика“, финансираног од стране Министартва за просвету, науку и технолошки развој Републике Србије. С обзиром на недостатке конвенционалних крутих актуатора у будућим роботским апликацијама које захтевају висок степен безбедности, развој и управљање нових актуатора који укључују еластичност је од великог значаја. Посебно је значајан развој актуатора са променљивом крутошћу VSA (од енглеског назива “variable stiffness actuator”) који омогућавају подешавање крутосту током рада и самим тим дају компромис између прецизности рада робота и безбедности његовог окружења. Фокус нашег истраживања су роботи са антагонистичким погонима као посебна група билошки инспирисаних VSA. Дисертација је организована у шест поглавља уз преглед литературе. У првом поглављу су истакнуте главне идеје и мотивација за рад на овој теми, као и правци истраживања у развоју и управљању зглобова са еластичношћу, са нагласком на антагонистичке погоне. У овом поглављу се истичу безбедносни изазови будућих сервисних робота, наводе се одговарајуће технологије и трендови: еластични актуатори, појмови активне и пасивне попустљивости и VSA. Као група од посебног интереса међу VSA, приказан је детаљан пресек стања на тему антагонистичких актуатора у роботици. Развој симулационог модела динамике робота погоњеног антагонистички упареним еластичним актуаторима је детаљно приказан у другом поглављу дисертације. У том циљу, искоришћен је Степањенков метод за моделирање...