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An Integrated Concept for Footstep Planning and Navigation for Different Types of Multi-Legged Robots in Challenging Environments

Stumpf, Alexander (2021):
An Integrated Concept for Footstep Planning and Navigation for Different Types of Multi-Legged Robots in Challenging Environments. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00014549,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: An Integrated Concept for Footstep Planning and Navigation for Different Types of Multi-Legged Robots in Challenging Environments
Language: English
Abstract:

Among a large variety of available mobile ground robotic designs, legged robots are potentially the most versatile systems with respect to the traversal of uneven ground. However, they also have to deal with the most complex trajectory planning and control problems, when compared, e.g., to ground robots locomoting on wheels or tracks. The ability of legged robots to generate continuous motion over larger distances of uneven terrain by using discrete foot displacements leads to especially capable locomotion abilities in challenging environments. This potentially allows them to cross a large variety of non-contiguous surfaces (e.g. stepping stones) and to climb over obstacles (e.g. debris). In recent years, interest in humanoid and four-legged robots has significantly increased due to the attention and efforts initiated through the DARPA Robotics Challenge (2013-2015) leading to significant progress in legged robot hardware and motion controller performance.

However, to fully benefit from the potential of these unique locomotion capabilities, advances in autonomous functionality is required as the high mechatronic complexity of such robots makes teleoperation at the joint-level by humans highly infeasible. The ability of supervision by a remote human operator on a high level of abstraction is needed to traverse previously unknown terrains with a legged robot for the first time. This thesis addresses several such advances: Efficient perception especially of uneven, rough and irregular terrain, and suitable digital representations of them are developed as mandatory prerequisites for developing new methods for finding feasible (and posturally stable) foothold positions and their alignment in such challenging terrain. On top of these, planning and navigation of sequences of suitable footsteps is developed to traverse a terrain section. Execution of footstep sequences over long distances requires methods using the available robot specific legged locomotion controllers for repeated online updating and stitching of footstep plans to achieve continuous autonomous walking over long distances in uneven terrain. Moreover, the reusability of methods for perception, planning, and step execution for different types of legged robots is highly desirable to efficiently adapt and deploy the resulting framework to different types of robots and their specific kinematic and dynamic motion properties as well as their motion controllers.

The innovations, methods and their implementation presented in this work are successfully evaluated in challenging irregular terrain with seven different types of state of the art robots: two versions of Boston Dynamics' humanoid Atlas robot, two versions of the THORMANG robot by Robotis equipped with custom sensing and computing, the humanoid WALK-MAN robot, the quadruped ANYmal robot of ANYbotics and a tracked robot with four actuated flipper wheels (Telemax Hybrid by Telerob). It is successfully demonstrated how the novel footstep planning framework extends the current state of research in the field of 3D planning by applying the approaches developed in this thesis to improve the overall performance of the planner and efficiently generate suitable step plans even in previously not reasonable traversable irregular terrain. The generalizability and modularity of the proposed framework allows the flexible application with different types of legged robots but also, as demonstrated in the evaluation, generalizes beyond the intended primary application purpose, e.g. as automatic flipper control for a tracked robot crossing rough terrain.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Unter einer großen Anzahl verfügbarer Designs mobiler Bodenrobotersysteme sind Laufroboter potenziell die vielseitigsten Systeme zur Überquerung unebenen Terrains im Vergleich zu ketten- oder radangetriebenen Roboter. Allerdings müssen für den erfolgreichen Einsatz laufender Roboter komplexe Probleme der Bahnplanung und -steuerung gelöst werden. Ihre besondere Eigenschaft eine kontinuierliche Fortbewegung auch über lange Strecken unebenen Terrains durch diskretes Lösen und Herstellen von Fuß-Boden-Kontakten zu erzeugen, führt zu einzigartigen Fortbewegungsfähigkeiten in anspruchsvollen Umgebungen. Dies ermöglicht es ihnen prinzipiell eine potenzielle Vielzahl von nicht zusammenhängenden Objekten (z. B. Trittsteine) zu überqueren und über Hindernisse (z. B. Geröll) zu klettern. Laufende Roboter haben auch durch die DARPA Robotics Challenge (2013-2015) in den letzten Jahren wachsendes Interesse in Forschung und Anwendung gewonnen, weshalb erhebliche Fortschritte bei der Hardware von Laufrobotern und der Leistung der Bewegungssteuerung und -regelung erzielt wurden.

Um das Potential dieser einzigartigen Fortbewegungsmöglichkeiten laufender Roboter voll auszuschöpfen, sind Forschritte in den autonomen Fähigkeiten laufender Roboter notwendig, da die hohe mechatronische Komplexität vieler Gelenke und Bewegungsfreiheitsgrade die Teleoperation durch den Menschen auf der Gelenkebene in hohem Maße unpraktikabel macht. Die Fähigkeit der Überwachung durch einen per drahtloser Kommunikation verbundenen menschlichen Bediener auf einem hohen Abstraktionsniveau ist erforderlich, um zuvor unbekannte Gebiete mit einem mehrbeinigen Roboter das erste Mal erfolgreich zu durchqueren. Diese Arbeit befasst sich mit Fortschritten in mehreren Bereichen: Eine effiziente Wahrnehmung, insbesondere von unebenem und unregelmäßigem Gelände, und eine dafür geeignete digitale Repräsentationen als zwingende Voraussetzungen für die Entwicklung neuer Methoden für die Bestimmung zulässiger (und postural stabile) Trittpositionen sowie deren Orientierung in solchen schwierigen Terrains werden untersucht. Darauf aufbauend wird die Planung und Navigation von Sequenzen geeigneter Schritte entwickelt, um einen Geländeabschnitt zu durchqueren. Die Ausführung von Schrittsequenzen über große Entfernungen erfordert Methoden zur Verwendung der verfügbaren Laufroboter-spezifischen Bewegungsreglern für die wiederholte Online-Aktualisierung und das Zusammenfügen von Schrittplänen, um ein kontinuierliches autonomes Gehen über lange Strecken in unebenem Gelände zu erreichen. Darüber hinaus ist die Wiederverwendbarkeit von Wahrnehmungs-, Planungs- und Schrittausführungsmethoden für verschiedene Arten von laufenden Robotern äußerst wünschenswert, um das resultierende Framework effizient an verschiedene Robotertypen und deren spezifische kinematische und dynamische Bewegungseigenschaften und -steuerungen anzupassen und anzuwenden.

Die in dieser Arbeit vorgestellten innovativen Methoden und Implementierungen werden in schwierigem unwegsamen Gelände mit sieben verschiedenen Typen moderner Laufroboter erfolgreich evaluiert: zwei Versionen des humanoiden Roboters Atlas von Boston Dynamics, zwei Versionen des THORMANG Roboters von Robotis ausgestattet mit individuellen sensorischen und onboard Berechnungskapazitäten, der humanoide WALK-MAN Roboter, der vierbeinige Roboter ANYmal von ANYbotics und einem kettenradangetriebenen Roboter mit vier aktuierten Flippern (Telemax Hybrid Roboter von Telerob). Es wird erfolgreich gezeigt, wie das neuartige Fußschrittplanungs-Framework den aktuellen Forschungsstand auf dem Gebiet der 3D-Planung erweitert, indem durch die Anwendung der in der Thesis entwickelten Ansätze eine Verbesserung der Gesamtleistung des Planers erreicht wird und effizient geeignete Fußschrittpläne sogar in bisher nicht oder nur mühsam durchquerbarem Gelände generiert werden können. Die Generalität und Modularität des entwickelten Frameworks erlauben nicht nur den flexiblen Einsatz mit verschiedenen Typen von Laufrobotern, sondern, wie in der Evaluation erfolgreich demonstriert, auch die Verallgemeinerung über den primären Anwendungszweck hinaus, z.B. als automatische Flipper-Steuerung für einen Kettenroboter, der unwegsames Gelände durchquert.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiii, 185 Seiten
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science > Simulation, Systems Optimization and Robotics Group
Date Deposited: 27 Jan 2021 11:24
Last Modified: 27 Jan 2021 11:24
DOI: 10.26083/tuprints-00014549
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-145495
Referees: von Stryk, Prof. Dr. Oskar ; Bennewitz, Prof. Dr. Maren
Refereed: 29 January 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14549
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