Dynamische Regelung Humanoider Laufmaschinen

Während der letzten 20 Jahre haben sich die Steuerungs- und Regelungsanwendungen in der Roboterforschung von der Kontrolle vollständig gelenkiger serieller und paralleler Manipulatorsysteme hin zu größeren, komplexeren Systemen erweitert. Dazu gehören mechanische Systeme mit nicht-holonomen Einschränkungen, Untersteuerung bzw. Unteraktuierung der Steuerungseingabe sowie variierende Kontaktbeschränkungen, die zu hybriden dynamischen Systemen führen. Zweibeinige humanoide Roboter stellen heute ein zentrales Anwendungsgebiet dar, bei dem alle genannten Steuerungsprobleme gleichzeitig auftreten.

Die grundlegenden Lösungen zur Steuerung des Gehens von zweibeinigen Robotern basieren zwar auf vereinfachten Modellen, weisen jedoch noch Defizite in der Robustheit gegenüber Umgebungsmodellen, insbesondere dem Bodenkontakt der Füße, auf. Diese Ansätze erlauben keine Verallgemeinerung auf das vollständige dynamische Modell. Robustes zweibeiniges Gehen ist eine Schlüsselfähigkeit, um humanoide Roboter als mechanische Gehilfen in häuslichen Umgebungen ernsthaft in Betracht zu ziehen. Im Projekt werden daher Algorithmen entwickelt, die eine Schrittanpassung in Echtzeit ermöglichen und damit eine Online-Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen gewährleisten.

Eine nachgiebige Ganzkörperbewegungssteuerung ist Voraussetzung sowohl für die physische Interaktion mit Menschen als auch für autonome Manipulation. Gerade bei Robotern in unmittelbarer Nähe zum Menschen gilt es, sowohl beabsichtigte als auch unbeabsichtigte physische Interaktionen im Stehen und in der Bewegung zu beherrschen. Obwohl moderne humanoide Roboter viele kontrollierte Bewegungen in klar definierten Umgebungen ausführen können, konzentrieren sich aktuelle Ansätze zur Bewegungssteuerung überwiegend auf statische Umgebungen und berücksichtigen physische Interaktionen mit Menschen kaum oder nur rudimentär. Dieses Projekt verfolgt nicht nur das Ziel, auf physischen Kontakt durch Menschen reaktiv zu reagieren, sondern auch die aktive, vom Roboter initiierte und durchgeführte Mensch-Roboter-Interaktion einzubeziehen.

Die Gehfähigkeiten von Robotern unterscheiden sich nicht nur in der Steuerung, sondern auch in der physischen Grundlage von denen des Menschen. Die Biomechanik hat stabile Gehbewegungen auf einfachen, aber menschlich orientierten nachgiebigen Modellen identifiziert. Während diese Arbeiten die Grundprinzipien zweibeiniger Fortbewegung erforschen, ist deren Übertragung auf die Robotersteuerung ein noch weitgehend unerforschtes Feld. Ziel des Projekts ist es, die Prinzipien des anthropomorphen Gehens auf Robotersysteme zu übertragen, um Fortschritte in der Leistungsfähigkeit des robotischen Gehens zu erzielen. Diese Verbesserungen zeigen sich sowohl in quantitativen Größen wie Geschwindigkeit oder Energieverbrauch als auch in der qualitativen Fähigkeit zu fortgeschrittener Fortbewegung wie Laufen oder Springen. Die Umsetzung dieser Prinzipien umfasst sowohl die Entwicklung neuer Hardware-Plattformen als auch die kontrollorientierte Forschung innerhalb der Helmholtz-Nachwuchsgruppe.

Eine explizitere Übertragung von Fähigkeiten vom Menschen auf Roboter ist besonders für hochgradig gelenkige humanoide Roboter mit vielen Freiheitsgraden interessant. Hierbei bietet das „Lehren durch Demonstration“ die Möglichkeit, menschenähnliche Bewegungen zu erzeugen, ohne sich zu sehr auf spezifische Optimierungskriterien verlassen zu müssen. Das Erlernen menschlicher Bewegungsfähigkeiten konzentriert sich im Projekt auf Fortbewegung und kraftbasierte Manipulationsfähigkeiten. Da das Balancieren und Gehen zweibeiniger Systeme inhärent instabil sind, erfordert dies eine Erweiterung von reiner Nachahmung zu einer „Emulation“ der Fortbewegungsfähigkeit.

Die genannten Themen stellen eine kontrollorientierte Auswahl von Bewegungsfähigkeiten für humanoide Roboter dar, mit Schwerpunkt auf Fortbewegung und physischer Ganzkörperinteraktion.

Publikationen

Buchkapitel

• M. A. Roa and Ch. Ott, Balance and Posture Control for Biped Robots, Chapter 8 in Multibody System Dynamics, Robotics, and Control, X, H. Gattringer and J. Gerstmayr (Eds.), Springer Verlag, pp. 129-144, 2013. [elib]

Magazine

• G. Garofalo, Ch. Ott, Limit Cycle Control Using Energy Function Regulation with Friction Compensation, IEEE Robotics and Automation Letters, accepted for publication.
• Ch. Ott, B. Henze, G. Hettich, T. N. Seyde, M. A. Roa, V. Lippi, T. Mergner, Comparison of bio-inspired and model-based approaches for posture control of humanoid robots, IEEE Robotics and Automation Magazine, accepted for publication.
• J. Englsberger, Ch. Ott, A. Albu-Schäffer, Three-dimensional bipedal walking control based on Divergent Component of Motion, IEEE Transactions on Robotics (TRO), accepted, 2015.
• T. Petric, L. Žlajpah, G. Garofalo and Ch. Ott, Walking with Adaptive Oscillator and Dynamic Movement Primitives, accepted for publication in International Journal of Mechanics and Control (JoMaC), 2014.
• J. Englsberger and Ch. Ott, Walking stabilization for humanoid robots based on control of the Capture Point, at-Automatisierungstechnik, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, pp. 692-703, 11/2012.
• Ch. Ott, O. Eiberger, J. Englsberger, M. A. Roa, and A. Albu-Schäffer, Hardware and Control Concept for an Experimental Bipedal Robot with Joint Torque Sensors, Journal of the Robotics Society of Japan, Vol. 30, No. 4, pp. 378-382, May 2012.

Konferenzen