Sturzvermeidung von zweibeinigen Robotern durch reflexartige ...

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Sturzvermeidung von zweibeinigen Robotern durch reflexartige ...

Sturzvermeidung von

zweibeinigen Robotern durch

reflexartige Reaktionen

Oliver Höhn

Institut für Regelungstechnik – Universität Hannover

Appelstr. 11, 30167 Hannover

http://www.irt.uni-hannover.de


Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Gliederung

• Motivation

• Falluntersuchungen

• Sensorik

• Schrittreaktion

• Zusammenfassung und Ausblick

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Motivation

Warum Falluntersuchungen bei Robotern?

Prognose für Serviceroboter

• Bis 2005 wird der Einsatz von 2.2 Mio. Servicerobotern erwartet

• Serviceroboter haben mit einem Marktanteil von 2.5 Mrd. $ mit

Industrierobotern gleichgezogen

Stürze beim Menschen

• Jährlich stürzen 2.5 Mio. Menschen in deutschen Haushalten

• Durch Stürze entstehen jährliche Kosten von 8 Mrd. €

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Falluntersuchungen

Fragestellungen

• Wie lassen sich Stürze erkennen?

• Welche Reaktionen können einen Fall verhindern?

• Wodurch kann der Schaden bei einem Sturz minimiert werden?

Sturzvermeidung durch einen

reflexartigen Schritt

Detektion Klassifikation Entscheidung

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Universität Hannover

Reaktion 1

Reaktion 2

Schritt

Exekution

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Falluntersuchungen

Laufroboter „BARt“

• Gewicht 25 kg, ca. 80 cm groß

• 3 aktive Freiheitsgrade pro Bein

Bewegung auf sagittale Ebene beschränkt

• DC-Motoren mit Harmonic–Drive Getrieben

• Statisch und dynamisch stabiler Gang, kann

Treppen steigen

• Motorola MPC555 Mikrocontroller

• RTOS-UH als Echtzeitbetriebssystem

• Software fast ausschließlich in PEARL

• Operiert bis zu 30 min. vollständig autonom

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

BARt (Bipedal Autonomous Robot)

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Falluntersuchungen

Versuchsaufbau

• Auslagerung der Elektronik-Komponenten

• Sicherung des Roboters mit Seilen

• Stoßgewicht (2.7 kg) dient zum Einleiten

reproduzierbarer Impulse

Kennzahlen

• Übertragene Impulse: bis zu 9 kg·m/s

• Stoßzahl: ca. 0,5

• Kippwinkelgeschwindigkeiten: um 60 °/s

• Typ. Stoßdauer: 30 - 50 ms

• Nötige Reaktionszeiten: ca. 0,5 s

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

BARt (Bipedal Autonomous Robot)

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Falluntersuchungen

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Sensorik

Kraftsensoren

Kraftsensoren

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

Beschleunigungs-Sensoren

Neigungssensor

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Sensorik

Kraftsensoren

• Vier Wägezellen pro Fuß

• Nennlast je Sensor: 40 kg

• Wandlung der Sensordaten in

PWM-Signale

• Auswertung mit der TPU

• Bestimmung des Druckpunktes

(CoP) unter dem Fuß

Position (Ferse-Spitze)

Stoßbeginn

Zeit [s]

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Universität Hannover

CoP bei einem Stoß von 4 [kg m/s]

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Sensorik

Beschleunigungs-Sensoren

Kraftsensoren

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

Beschleunigungs-Sensoren

Neigungssensor

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Sensorik

Beschleunigungs-Sensoren

• Sensoren: ADXL 202 bzw. 210

• Messbereich von 2g bzw. 10g

• Messen der Torsobeschleunigung

• Ermitteln des Fuß-Winkels

• Beschleunigungswert wird als

PWM übertragen

• Auswerten der Signale mit der TPU

Beschleunigung [m/s²]

Torso-Beschleunigung

Zeit [ms]

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Universität Hannover

leichte Dämpfung

stärkere Dämpfung

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Sensorik

Neigungssensor

Kraftsensoren

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

Beschleunigungs-Sensoren

Neigungssensor

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Sensorik

Neigungssensor

• Messung mit Präzisions-

Potentiometer

• 12 bit A/D-Wandler

• Serielle Anbindung an QSPI

lh

lv

Winkelgeschwindigkeit [°/s]

Phasenportrait

Kippwinkel [°]

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Sensorik

Ergebnisse

• Kippgeschwindigkeit mit CoP nicht zu bestimmen

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• Zuverlässige Ermittlung der Torsogeschwindigkeit durch Beschleunigungssensoren

• Neigungssensor ermöglicht genaue Zustandsbestimmung

• CoP ist notwendiges Kriterium zur Schrittausführung

• Reflexauswahl durch Informationen von Beschleunigungs- und Neigungssensor

• Detektionszeit typ. 80 ms

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Schrittreaktion

Bahnplanung

• Vereinfachtes Ersatzmodell

– 3 Freiheitsgrade, 2 aktiv

– 2 konzentrierte Massen

• Torso 20 kg

• Fuß 5 kg

• Erzeugung der Bewegungsgleichungen über

LaGrange

• Bewegungssimulation mit Matlab/Simulink

• Trajektorien werden mit Gütefunktion bewertet

• Optimierung durch Simplex-Algorithmus

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

y [cm]

F

Schrittreaktion

Bahnplanung

8

7

6

5

Schritt-Trajektorie Schritt-Dauer

0 10 20 30 40 50

x

F

[cm]

Schrittdauer [s]

0,7

0,5

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

0,3

50 60 70 80

Kipp-Winkelgeschwindigkeit [°/s]

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Schrittreaktion

Simulierter Ausfallschritt

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Schrittreaktion

Reaktion bei einem Stoß

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Schrittreaktion

Reaktion bei einem leichten Schieben

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Sturzvermeidung zweibeiniger Roboter IRT

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

• Zustandsdetektion nach einem Stoß sehr zuverlässig

• Stabilisierung des Roboters gelingt bei Stößen von bis zu 8 kg·m/s

• Seitliches Kippen kann nicht aktiv verhindert werden

Ausblick

• Ersetzen des Neigungssensors durch einen Drehratensensor

• Untersuchung von Reaktionen bei Robotern mit mehr Freiheitsgraden

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

Dipl.-Ing. Oliver Höhn,

Institut für Regelungstechnik

Universität Hannover

E-Mail: hoehn@irt.uni-hannover.de

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