Development of behaviors for humanoid robot

Abstract

Humanoid robotics is an area of active research. Robots with human body are better suited to execute tasks in environments designed for humans. Moreover, people feel more comfortable interacting with robots that have a human appearance. RoboCup encourages robotic research by promoting robotic competitions. One of these competitions is the Standard Platform League (SPL) in which humanoid robots play soccer. The robot used is the Nao robot, created by Aldebaran Robotics. The di erence between the teams that compete in this league is the software that controls the robots. Another league promoted by RoboCup is the 3D Soccer Simulation League (3DSSL). In this league the soccer game is played in a computer simulation. The robot model used is also the one of the Nao robot. However, there are a few di erences in the dimensions and it has one more Degree of Freedom (DoF) than the real robot. Moreover, the simulator cannot reproduce reality with precision. Both these leagues are relevant for this thesis, since they use the same robot model. The objective of this thesis is to develop behaviors for these leagues, taking advantage of the previous work developed for the 3DSSL. These behaviors include the basic movements needed to play soccer, namely: walking, kicking the ball, and getting up after a fall. This thesis presents the architecture of the agent developed for the SPL, which is similar to the architecture of the FC Portugal team agent from the 3DSSL, hence allowing to port code between both leagues easily. It was also developed an interface that allows to control a leg in a more intuitive way. It calculates the joint angles of the leg, using the following parameters: three angles between the torso and the line connecting hip and ankle; two angles between the foot and the perpendicular of the torso; and the distance between the hip and the ankle. It was also developed an algorithm to calculate the three joint angles of the hip that produce the desired vertical rotation, since the Nao robot does not have a vertical joint in the hip. This thesis presents also the behaviors developed for the SPL, some of them based on the existing behaviors from the 3DSSL. It is presented a behavior that allows to create robot movements by de ning a sequence of poses, an open-loop omnidirectional walking algorithm, and a walk optimized in the simulator adapted to the real robot. Feedback was added to this last walk to make it more robust against external disturbances. Using the behaviors presented in this thesis, the robot achieved a forward velocity of 16 cm/s, a lateral velocity of 6 cm/s, and rotated at 40 deg/s. The work developed in this thesis allows to have an agent to control the Nao robot and execute the basic low level behaviors for competing in the SPL. Moreover, the similarities between the architecture of the agent for the SPL with that of the agent from the 3DSSL allow to use the same high level behaviors in both leagues.

A robótica humanoide é uma área em ativo desenvolvimento. Os robôs com forma humana estão melhor adaptados para executarem tarefas em ambientes desenhados para humanos. Além disso, as pessoas sentem-se mais confortáveis quando interagem com robôs que tenham aparência humana. O RoboCup incentiva a investigação na área da robótica através da realização de competições de robótica. Uma destas competições é a Standard Platform League (SPL) na qual robôs humanoides jogam futebol. O robô usado é o robô Nao, criado pela Aldebaran Robotics. A diferença entre as equipas que competem nesta liga está no software que controla os robôs. Outra liga presente no RoboCup é a 3D Soccer Simulation League (3DSSL). Nesta liga o jogo de futebol é jogado numa simulação por computador. O modelo de robô usado é também o do robô Nao. Contudo, existem umas pequenas diferenças nas dimensões e este tem mais um grau de liberdade do que o robô real. O simulador também não consegue reproduzir a realidade com perfeição. Ambas estas ligas são importantes para esta dissertação, pois usam o mesmo modelo de robô. O objectivo desta dissertação é desenvolver comportamentos para estas ligas, aproveitando o trabalho prévio desenvolvido para a 3DSSL. Estes comportamentos incluem os movimentos básicos necessários para jogar futebol, nomeadamente: andar, chutar a bola e levantar-se depois de uma queda. Esta dissertação apresenta a arquitetura do agente desenvolvida para a SPL, que é similar á arquitetura do agente da equipa FC Portugal da 3DSSL, para permitir uma mais fácil partilha de código entre as ligas. Foi também desenvolvida uma interface que permite controlar uma perna de maneira mais intuitiva. Ela calcula os ângulos das juntas da perna, usando os seguintes parâmetros: três ângulos entre o torso e a linha que une anca ao tornozelo; dois ângulos entre o pé e a perpendicular do torso; e a distância entre a anca e o tornozelo. Nesta dissertação foi também desenvolvido um algoritmo para calcular os três ângulos das juntas da anca que produzam a desejada rotação vertical, visto o robô Nao não ter uma junta na anca que rode verticalmente. Esta dissertação também apresenta os comportamentos desenvolvidos para a SPL, alguns dos quais foram baseados nos comportamentos já existentes na 3DSSL. É apresentado um modelo de comportamento que permite criar movimentos para o robô de nindo uma sequência de poses, um algoritmo para um andar open-loop e omnidirecional e um andar otimizado no simulador e adaptado para o robô real. A este último andar foi adicionado um sistema de feedback para o tornar mais robusto. Usando os comportamentos apresentados nesta dissertação, o robô atingiu uma velocidade de 16 cm/s para frente, 6 cm/s para o lado e rodou sobre si pr oprio a 40 graus/s. O trabalho desenvolvido nesta dissertação permite ter um agente que controle o robô Nao e execute os comportamentos básicos de baixo nível para competir na SPL. Além disso, as semelhan cas entre a arquitetura do agente para a SPL com a arquitetura do agente da 3DSSL permite usar os mesmos comportamentos de alto nível em ambas as ligas.