Trajektorienplanung und Stabilisierung für zweibeinige dynamische Fortbewegung eines Gymnastikroboters auf Basis hybrider Modellierung
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden grundlegende Aspekte von Aktoren mit elastischer Nachgiebigkeit für die Fortbewegung von zweibeinigen Laufrobotern untersucht. Besonders im Vordergrund stand die Energieeffizienz der Fortbewegung. Signifikante Energieersparnis kann durch eine Kombination von optimaler Auslegung von Federelementen parallel zum Aktor und optimaler Planung der Trajektorien erreicht werden. Der optimalen Steuerung wird ein hybrides Modell zu Grunde gelegt, in dem die Interaktion kontinuierlicher und ereignisdiskreter Dynamikanteile darstellbar ist. Es konnte gezeigt werden, dass die Energieffizienz, die in Optimierung und Simulation erreichbar war, ebenso im Experiment realisiert werden konnte, trotz unmodellierten Dynamikanteilen und externen Störungen. Für die simultane Optimierung von Gangtrajektorie und Federparametern wurde der Virtual Holonomic Constraints Ansatz generalisiert, so dass Bewegungsphasen mit beliebigem Aktuierungsgrad als Teil der Gangtrajektorie zugelassen werden können. Diese Generalisierung ist relevant bei der Optimierung einer Gangbewegung mit Fußabrollbewegung. Der Fuß hat dann flächigen Kontakt und der Roboter ist vollaktuiert. Weiterhin konnte durch die Generalisierung auch double support Phasen der Gangtrajektorie betrachtet werden. Exemplarisch wurde gezeigt, dass eine signifikante Energieersparnis nur durch die simultane Optimierung von Gang und Federparametern möglich ist. Sowohl die Einbeziehung der parallelen Feder, als auch das Berücksichtigen der Fußabrollbewegung führt zu einem nachweisbar menschenähnlicherem Gang. Für einen Roboterarm mit vier Freiheitsgraden konnte auch bei der experimentellen Umsetzung gezeigt werden, dass der Einsatz paralleler Federn Vorteile für die Energieeffizienz bringt. Unmodellierte Dynamikanteile durch Reibung, externe Störungen und die überlagerte Regelung führen zwar zu einem höheren Gesamtstellaufwand, die absolute Energieersparnis aus der Optimierung bleibt allerdings erhalten. Um die methodisch erreichbare Energieeffizienz für ein großes Spektrum unterschiedlicher Bewegungen zu verwenden, werden Aktoren mit variabler, einstellbarer Steifheit benötigt. Es wurde ein neuartiger Aktor konstruiert, bei dem Motorgetriebeeinheit und Elastizität in Serie geschaltet sind. Die für die variable Steifheit nötige nichtlineare Kennlinie des elastischen Elements wird durch Anordnung von linearen Federn in einer trapezförmigen Kinematik erreicht. Bei diesem Aktorprototypen kann unabhängig von der Ausgangsposition eine gewünschte Ausgangssteifigkeit eingestellt werden. Durch die serielle Anordnung von Motor und Feder wird jedoch der relative Grad des Systems erhöht und eine weitere Generalisierung der bisher verwendeten Trajektorienplanungsmethode für zweibeiniges Gehen ist nötig. Diese Generalisierung ist Gegenstand zukünftiger Forschung.
Publications
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- Ball dribbling with an underactuated continuous-time control phase: Theory & experiments. In Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2010
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- Optimized parallel joint springs in dynamic motion: Comparison of simulation and experiment. In Proceedings of the IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (Biorob), 2010
M. Scheint and M. Sobotka and M. Buss
