Development and control of an intelligent social robot

Farhat, Mahmoud (2024). Development and control of an intelligent social robot. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Humanoid robots face a significant challenge in achieving stable movement due to complex leg movements and limited processing power. The NAO robot developed by Aldebaran Robotics, highlights these difficulties with its rigid walking system, which restricts improvements in control and speed. These restrictions result in unnatural movements, decreased energy efficiency, and a higher possibility of falls, particularly in unpredictable circumstances. The importance of dynamic stability and balance control for effective robot movement on different surfaces has led to a growing interest in the control of human-robot movement. Extensive research has focused on discovering walking patterns that enable humanoid robots to maintain dynamic stability and adapt to different surfaces, including creating static gaits for stability and adaptability.

The study of dynamic stability has been crucial for understanding robot walking, emphasizing balance control as essential for bipedal locomotion. This knowledge is directly applied to humanoid robots, highlighting the necessity of fast response, balance maintenance, and rapidly walking for effective real-world interaction. Thus, stability advances theoretical comprehension and underpins practical humanoid robot functionality in dynamic environments. Despite these advancements, several challenges persist, including addressing unknown dynamics, energy efficiency, control complexity, terrain adaptability, and integrating responsive interactions with changing environments. The first step of this thesis involved conducting extensive simulations to analyze the dynamic models of the NAO robot. Moreover, our methodology was put to the test in various real-life scenarios, showcasing the NAO robot’s ability to achieve stable locomotion at high velocities and on inclined surfaces. In addition, the system converts torque into executable positional commands, allowing for precise and efficient control of the NAO robot’s movements. This ensures that the robot can perform complex tasks accurately and reliably, enhancing its operational effectiveness.

This thesis improves the NAO robot’s walking stability with three innovative control strategies. First, introducing Modified Function Approximation Techniques (MFAT) with adaptive sliding mode control allows for precise motor control of the vritual NAO robot . Second, the Nonlinear Disturbance Observer-based Fixed-Time Terminal Sliding Mode (NDO-FTSM) approach effectively manages torque inputs and converge tracking errors to zero under uncertain conditions. Finally, Fixed-Time Terminal Sliding Mode control with Fixed Time Observer (FTO) enhances stability amid disturbances and limited computational resources of the NAO robot.

Titre traduit

Développement et contrôle d’un robot social intelligent

Résumé traduit

Les robots humanoïdes rencontrent un défi majeur pour obtenir des mouvements stables en raison des mouvements complexes des jambes et de la puissance de traitement limitée. Le robot NAO, développé par Aldebaran Robotics, met en évidence ces difficultés avec son système de marche rigide, qui restreint les améliorations en matière de contrôle et de vitesse. Ces restrictions entraînent des mouvements non naturels, une efficacité énergétique réduite et une probabilité accrue de chutes, en particulier dans des circonstances imprévisibles. L’importance de la stabilité dynamique et du contrôle de l’équilibre pour un mouvement efficace des robots sur différentes surfaces a conduit à un intérêt croissant pour le contrôle du mouvement humain-robot. De nombreuses recherches se sont concentrées sur la découverte de modèles de marche permettant aux robots humanoïdes de maintenir une stabilité dynamique et de s’adapter à différentes surfaces, y compris la création de démarches statiques pour la stabilité et l’adaptabilité.

L’étude de la stabilité dynamique a été cruciale pour comprendre la marche des robots, en mettant l’accent sur le contrôle de l’équilibre comme essentiel pour la locomotion bipède. Cette connaissance est directement appliquée aux robots humanoïdes, soulignant la nécessité d’une réponse rapide, du maintien de l’équilibre et de la marche rapide pour une interaction efficace dans le monde réel. Ainsi, les avancées en matière de stabilité améliorent la compréhension théorique et soutiennent la fonctionnalité pratique des robots humanoïdes dans des environnements dynamiques. Malgré ces avancées, plusieurs défis persistent, notamment l’adaptation aux dynamiques inconnues, l’efficacité énergétique, la complexité du contrôle, l’adaptabilité au terrain et l’intégration d’interactions réactives avec des environnements changeants. La première étape de cette thèse a consisté à effectuer des simulations approfondies pour analyser les modèles dynamiques du robot NAO. De plus, notre méthodologie a été mise à l’épreuve dans divers scénarios réels, montrant la capacité du robot NAO à atteindre une locomotion stable à haute vitesse et sur des surfaces inclinées. En outre, le système convertit le couple en commandes positionnelles exécutables, permettant un contrôle précis et efficace des mouvements du robot NAO. Cela garantit que le robot peut effectuer des tâches complexes avec précision et fiabilité, améliorant ainsi son efficacité opérationnelle.

Cette thèse améliore la stabilité de la marche du robot NAO avec trois stratégies de contrôle innovantes. Tout d’abord, la combinaison des Techniques de Fonction d’Approximation Modifiée (MFAT) avec le contrôle adaptatif par mode glissant permet un contrôle précis des moteurs du robot NAO virtuel. Deuxièmement, l’approche basée sur le Mode Glissant Terminal à Temps Fixe avec Observateur de Perturbation Non Linéaire (NDO-FTSM) gère efficacement les entrées de couple et réduit les erreurs de suivi à zéro dans des conditions incertaines. Enfin, le contrôle par Mode Glissant Terminal à Temps Fixe avec Estimation du Délai de Temps (TDE) améliore la stabilité en cas de perturbations et de ressources computationnelles limitées du robot NAO.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 99-117).
Mots-clés libres:	équilibre et stabilité, marche dynamique, dynamiques non linéaires, contrôle en mode glissant, temps fixe, délai temporel
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Saad, Maarouf
Codirecteur:	Codirecteur Rahman, Mohammad H. Lopez Herrejon, Roberto Erick
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	09 avr. 2025 14:10
Dernière modification:	09 avr. 2025 14:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3563

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