Control architecture for a hydraulically-actuated humanoid robot
Architecture de contrôle pour un robot humanoïde à actionnement hydraulique
Abstract
HYDROïD is the first humanoid robot with hydraulic control in Europe. This research platform was created to emulate the human body. The emulation of the human body is important because the objective of the humanoid robot in the future is to cooperate and interact with humans, and even to replace them in dangerous scenarios. This interaction requires safety aspects. Emulation and having an anthropomorphic robot like the human body simplifies the achievement of this goal. Many aspects of emulation have already been realized, the actuation of the robot emulates human muscles, the hybrid mechanisms emulate human kinematics and agonist-antagonist effect, the mechanical design of the robot emulates the thin morphology and mass distribution of the human body, and the hydraulic flow emulates the blood flow inside the body.In this thesis, we have sought to emulate the architecture of the human nervous system, i.e., the physical structure, transmission, and processing of information. We proposed a layered control architecture for HYDROïD. A distributed architecture with 12 local controllers has been designed to be placed on the body of the robot to control 36 hydraulically operated kinematic joints. A central PC with a real-time operating system manages the whole-body motion through real-time middleware and EtherCAT communication. Each local controller is a complete integrated computing unit to control the robot at the joint level. A custom driver was built to control the hydraulic actuation. We investigated two approaches at this level, using a single-loop approach and a multi-threading approach.
HYDROïD est le premier robot humanoïde à actionnement hydraulique en Europe. Cette plateforme de recherche a été créée pour émuler le corps humain. L'émulation du corps humain est importante car l'objectif du robot humanoïde du futur est de coopérer et d'interagir avec les humains, voire de les remplacer dans des scénarios dangereux. Cette interaction nécessite des aspects de sécurité. L'émulation et le fait de disposer d'un robot anthropomorphe comme le corps humain simplifient la réalisation de cet objectif. De nombreux aspects de l'émulation ont déjà été réalisés, l'actionnement du robot émule les muscles humains, les mécanismes hybrides émulent la cinématique humaine et l'effet agoniste-antagoniste, la conception mécanique du robot émule la morphologie fine et la distribution de masse du corps humain, et le flux hydraulique émule le flux sanguin à l'intérieur du corps.Dans cette thèse, nous avons cherché à émuler l'architecture du système nerveux humain, c'est-à-dire la structure physique, la transmission et le traitement de l'information. Nous avons proposé une architecture de contrôle en couches pour HYDROïD. Une architecture distribuée avec 12 contrôleurs locaux a été conçue pour être placée sur le corps du robot afin de contrôler 36 articulations cinématiques actionnées hydrauliquement. Un PC central doté d'un système d'exploitation en temps réel gère le mouvement du corps entier par le biais d'un intergiciel en temps réel et de la communication EtherCAT. Chaque contrôleur local est une unité informatique intégrée complète permettant de contrôler le robot au niveau des articulations. Un pilote personnalisé a été construit pour contrôler l'actionnement hydraulique. Nous avons étudié deux approches à ce niveau, en utilisant une approche à boucle unique et une approche multithreading.