Controllo globale e locale di un robot quadrupede: integrazione di un algoritmo per la stabilizzazione del tronco con un Central Pattern Generator

Abstract

Uno dei principali obiettivi nello sviluppo di robot quadrupedi bio-ispirati è definire un sistema di controllo motorio capace di emulare nel miglior modo possibile il movimento naturale degli animali. In questa tesi si è aggiunto a un sistema di controllo globale della stabilità del robot un controllo locale ispirato ai Central Pattern Generator (CPG). Un CPG è una rete neuronale che permette di compiere movimenti motori ritmici senza bisogno di ricevere input diretti dall’encefalo o feedback sensoriali: questi sono ovviamente necessari per adattarsi all’ambiente in cui si muove il robot e gli permettono di superare ostacoli, cambiare il ritmo del movimento e accorgersi di eventuali collisioni, ma l’andatura (per esempio camminata, trotto, galoppo) una volta impostata non richiede interventi dall’esterno del CPG. In particolare, per integrare controllo globale e locale, ho implementato in C++ un algoritmo di Push Recovery, pensato per migliorare la stabilità del robot basandosi sul concetto di N-step capturability e sulla ricerca degli instantaneous capture points. Per verificare la corretta realizzazione e l’effettiva funzionalità del controllore ottenuto, sono state eseguite numerose simulazioni nell’ambiente virtuale Webots, che tiene conto di molte caratteristiche fisiche del robot scelto.

One of the main objectives in the development of bio-inspired quadruped robots is to define a motor control system capable of emulating the natural movement of animals as closely as possible. In this thesis, a local control inspired by Central Pattern Generators (CPGs) has been added to the robot's global stability control system. A CPG is a neural network that allows animals to execute rhythmic motor movements without the need for direct inputs from the brain or sensory feedback. While these are obviously necessary to adapt to the environment in which the robot moves and allow it to overcome obstacles, change the rhythm of the movement, and detect potential collisions, the gait itself (e.g., walk, trot, gallop), once established, does not require actions from outside the CPG. Specifically, to integrate the global and local control, I implemented a Push Recovery algorithm in C++, designed to improve the robot's stability based on the concept of N-step capturability and the search for instantaneous capture points. To verify the correct implementation and the actual effectiveness of the resulting controller, several simulations were carried out in the Webots environment, which accounts for many physical characteristics of the chosen robot.