DE102021112485B3 - Method for balancing a robot, method for whole-body control of a robot, regulator and robot - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Balancierung eines Roboters zum Ausgleich von externen einwirkenden Störungen, der Roboter umfassend: mindestens ein Gelenk mit der Anzahl vonnaktuierten Freiheitsgraden zur gelenkigen Verbindung von Körpersegmenten des Roboters mit mindestens einer Stelleinrichtung zur aktiven Beeinflussung der Stellung q des mindestens einen Gelenks, sowie eine Aufstützfläche; das Verfahren umfassend die Schritte:a) Überwachen und Ermitteln der auf den Roboter extern einwirkenden Kontaktmomente τext;b) Überprüfen, ob die ermittelten Kontaktmomente τextmindestens einen vorgegebenen Grenzwert τthresüberschreiten;c) bei Überschreiten des mindestens einen vorgegebenen Grenzwertes τthresin Schritt b) Ausführen der Schritte:Berechnen und Induzieren eines erforderlichen Referenzschwerpunktdrehimpulseslcreƒ,sowie anschließendes Abbauen des generierten Referenzschwerpunktdrehimpulseslcreƒdurch Verändern der Stellung q mindestens eines Gelenks mittels mindestens einer Stelleinrichtung des Roboters;d) Berechnen und Induzieren von Ganzkörperbewegungen xcmdmittels eines Ganzkörperbewegungsoptimierers durch Verändern der Stellung q mindestens eines Gelenks mittels mindestens einer Stelleinrichtung des Roboters.A method for balancing a robot to compensate for external interference, the robot comprising: at least one joint with the number of updated degrees of freedom for the articulated connection of body segments of the robot with at least one actuating device for actively influencing the position q of the at least one joint, and a support surface; the method comprising the steps:a) monitoring and determining the contact torques τext acting externally on the robot;b) checking whether the determined contact torques τext exceed at least one specified limit value τthres;c) if the at least one specified limit value τthresin step b) carrying out the steps Calculation and induction of a required reference centroid angular momentum slcreƒ, and subsequent reduction of the generated reference centroid angular momentum slcreƒ by changing the position q of at least one joint using at least one actuating device of the robot; d) calculating and inducing whole-body movements xcmd using a whole-body movement optimizer by changing the position q of at least one joint using at least one actuating device of the robot.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Balancierung eines Roboters zum Ausgleich von externen einwirkenden Störungen sowie ein Verfahren zur Ganzkörpersteuerung eines Roboters zum Ausgleich von externen einwirkenden Störungen, einen Regler und einen Roboter.The present invention relates to a method for balancing a robot to compensate for external disturbances acting on it, and a method for whole-body control of a robot to compensate for external disturbances acting on it, a controller and a robot.
In dem Stand der Technik gemäß [1]-[4] werden Regelungsverfahren für humanoide Roboter beschrieben, welche einen gewünschten Impuls und Drehimpuls in Balancier-Szenarien einregeln. Der gewünschte Impuls wird basierend auf der gewünschten Schwerpunktsposition und -geschwindigkeit gewählt, der gewünschte Drehimpuls wird stets zu null gesetzt. Falls der Roboter nicht beide gewünschten Größen realisieren kann, wird dem Impuls stets eine höhere Priorität zugesprochen als dem Drehimpuls. Dies kann bedeuten, dass, um dem System einen gewünschten linearen Impuls einzuprägen, ein von dem gewünschten Drehimpuls abweichender Wert in Kauf genommen wird. Dieser Fall kann eintreten, wenn der Roboter durch externe Kräfte gestört wird und die Bedingungen, die einen rutsch- und kippfreien Kontakt der Füße mit dem Boden garantieren, eine gleichzeitige Einprägung des gewünschten Impulses und Drehimpulses nicht erlauben. Als Folge dessen wird in manchen Situationen ein Drehimpuls ungleich null induziert. In den vorbezeichneten Methoden aus dem Stand der Technik wird der resultierende Drehimpuls in einem humanoiden Roboter nicht aktiv geplant, sondern nur generiert, wenn die Erfüllung von Aufgaben mit höherer Priorität, wie zum Beispiel einer Regelungsaufgabe für den linearen Impuls, die Verletzung der Drehimpulsregulierungsaufgabe erfordern. Die Drehimpulsregulierungsaufgabe hat zum Ziel, den Drehimpuls auf null zu halten oder ihn so gut wie möglich zu reduzieren. Durch diese typische Regelungsstruktur kann der Verlauf des Drehimpulses nur indirekt durch Repriorisierung von unterschiedlichen Aufgaben, welche gegebenenfalls im Konflikt zueinander stehen, erfolgen. Hierbei handelt es sich um ein hochdimensionales Optimierungsproblem der Einstellparameter, welche unter großem Aufwand und ohne direkte physikalische Bedeutung gesetzt werden müssen. Dies ist für humanoide Roboter insofern problematisch, als dass der Drehimpuls nur mit einer gewissen Magnitude generiert werden kann und dies auch nur für eine begrenzte Dauer, da ansonsten Positions- und/oder Geschwindigkeitsbegrenzungen in den Gelenken des Roboters erreicht werden. Das Erreichen von Gelenkbegrenzungen kann zu einer unvermittelten Reduktion des Drehimpulses führen, da nicht weiter die benötigte Gelenkgeschwindigkeit aufrechterhalten werden kann. Eine abrupte Änderung des Drehimpulses generiert jedoch große horizontale Kräfte, welche unter anderem auf den Schwerpunkt des Roboters wirken und diesen destabilisieren können, was im ungünstigen Fall zu einem Umfallen des humanoiden Roboters führen kann. Des Weiteren wird meistens erst ein Drehimpuls generiert, wenn die Kontaktbedingungen, welche einen rutsch- und kippfreien Kontakt sicherstellen sollen, erreicht werden. Dies vermindert die Robustheit des Systems gegenüber Modellungenauigkeiten und Regelungsabweichungen, da schon kleine Störungen den Roboter zu Fall bringen können, falls dieser am Rande der Kontaktbedingungen operiert.In the prior art according to [1]-[4] control methods for humanoid robots are described, which regulate a desired momentum and angular momentum in balancing scenarios. The desired momentum is chosen based on the desired center of gravity position and velocity, the desired angular momentum is always set to zero. If the robot cannot realize both desired quantities, momentum is always given higher priority than angular momentum. This can mean that in order to impress the system with a desired linear momentum, a value deviating from the desired angular momentum is accepted. This case can occur when the robot is disturbed by external forces and the conditions that guarantee slip and tip-free contact of the feet with the ground do not allow simultaneous imprinting of the desired momentum and angular momentum. As a result, non-zero angular momentum is induced in some situations. In the prior art methods described above, the resultant angular momentum in a humanoid robot is not actively planned, but only generated when the fulfillment of higher priority tasks, such as a linear momentum control task, require the violation of the angular momentum control task. The goal of the angular momentum regulation task is to keep angular momentum at zero or to reduce it as much as possible. Due to this typical control structure, the course of the angular momentum can only take place indirectly by reprioritizing different tasks, which may conflict with each other. This is a high-dimensional optimization problem of the setting parameters, which have to be set with great effort and without direct physical significance. This is problematic for humanoid robots insofar as the angular momentum can only be generated with a certain magnitude and only for a limited period of time, since otherwise the position and/or speed limits in the robot's joints are reached. Reaching joint limits can result in a sudden reduction in angular momentum as the required joint speed can no longer be maintained. However, an abrupt change in the angular momentum generates large horizontal forces which, among other things, affect the center of gravity of the robot and can destabilize it, which in the worst case can lead to the humanoid robot falling over. Furthermore, an angular momentum is usually only generated when the contact conditions, which are intended to ensure a slip-free and tilt-free contact, are achieved. This reduces the robustness of the system against model inaccuracies and control deviations, since even small disturbances can bring down the robot if it operates on the edge of the contact conditions.
In dem Stand der Technik gemäß [5] und [6] wird eine zweiphasige Methode zur Generierung der zeitlichen Ableitung einer Drehimpulsreferenztrajektorie für Balancier-Szenarien unter Einfluss von externen Kräften (z.B. Stößen) vorgestellt. In der ersten Phase wird eine zeitliche Ableitung des Drehimpulses vorgegeben, um dem destabilisierenden Effekt der externen Kraft entgegen zu wirken. Die zeitliche Ableitung des Drehimpulses wird aus der Differenz des Schwerpunktes und dem „Center of Pressure (CoP)“ berechnet. Die daraus resultierenden Gelenkbeschleunigungen werden über eine Moore-Penrose Pseudoinverse berechnet. In einer zweiten Phase wird die Ausgangspose des Roboters wiederhergestellt, welche als Funktion der potentiellen Energie des Roboters und/oder der wirkenden Gelenksdrehmomente ermittelt wird.In the prior art according to [5] and [6], a two-phase method for generating the time derivative of an angular momentum reference trajectory for balancing scenarios under the influence of external forces (e.g. impacts) is presented. In the first phase, a time derivative of the angular momentum is specified to counteract the destabilizing effect of the external force. The time derivative of the angular momentum is calculated from the difference between the center of gravity and the "Center of Pressure (CoP)". The resulting joint accelerations are calculated using a Moore-Penrose pseudo-inverse. In a second phase, the initial pose of the robot is restored, which is determined as a function of the robot's potential energy and/or the effective joint torques.
Die zeitliche Ableitung des gewünschten Drehimpulses wird aus der Differenz des CoP und des Schwerpunkts, multipliziert mit einem proportionalen Faktor k, berechnet. Nachteilig ist, dass dieser Faktor heuristisch durch experimentelles Ausprobieren bestimmt werden muss, um eine dem Stoß angemessene horizontale Kraft auszuüben. Kontaktbedingungen werden nicht explizit berücksichtigt. Für jeden neuen Kraftangriffspunkt bzw. neue Kraftrichtung muss ein neuer k Wert bestimmt werden. Aus diesem Grund ist diese Methode nicht generalisierbar und nur für den Einsatz unter Laborbedingungen geeignet. Des Weiteren geht aus der Methode nicht klar hervor, wann welche Phase aktiviert wird.The time derivative of the desired angular momentum is calculated from the difference of the CoP and the center of gravity multiplied by a proportional factor k. The disadvantage is that this factor has to be determined heuristically by trial and error in order to exert a horizontal force that is appropriate for the impact. Contact conditions are not explicitly considered. A new k value must be determined for each new point of application of force or new direction of force. For this reason, this method cannot be generalized and is only suitable for use under laboratory conditions. Furthermore, it is not clear from the method when which phase is activated.
Aus der [7] ist eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung für einen Roboter, wie z. B. einen mit Beinen versehenen mobilen Roboter, bekannt geworden. Die [8] bis [11] offenbaren Vorrichtungen zum Erzeugen von Gangarten, die nicht nur zum Gehen, sondern auch zum Laufen eines auf Beinen laufenden Roboters geeignet sind. Aus der [12] ist weiterhin ein Verfahren zum Erzeugen einer dynamisch realisierbaren Bewegung eines Verbindungssystems mit einem menschenähnlichen Aufbau bekannt geworden. Dieses Verfahren kann für eine Bewegungserzeugungssoftware für einen humanoiden Roboter, ein Echtzeit-Steuersystem für einen humanoiden Roboter und eine Bewegungserzeugungssoftware für Computergrafiken verwendet werden.From [7] is a control or regulating device for a robot, such as. B. a legged mobile robot known. [8] to [11] disclose devices for generating gaits suitable not only for walking but also for running a legged robot. [12] also discloses a method for generating a dynamically realizable movement of a connection system with a human-like structure. This method can be used for motion generation software for a humanoid robot, real-time control system for a humanoid robot, and motion generation software for computer graphics.
- [1] S.-H. Lee and A. Goswami, „A momentum-based balance controller for humanoid robots on non-level and nonstationary ground,“ Auton. Robots, vol. 33, pp. 399-414, Nov. 2012[1] S.-H. Lee and A. Goswami, "A momentum-based balance controller for humanoid robots on non-level and nonstationary ground," Auton. Robots, vol. 33, pp. 399-414, Nov. 2012
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[2] Lee, Sung-hee, and Ambarish Goswami. „Momentum-based balance controller for humanoid robots on nonlevel and non-stationary ground.“ U.S. Patent No.
9,367,795 WO2011106543A1 9,367,795 WO2011106543A1 - [3] A. Hofmann, M. Popovic, and H. Herr, „Exploiting angular momentum to enhance bipedal center-of-mass control,“ in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., Mai 2009, pp. 4423-4429[3] A Hofmann, M Popovic, and H Herr, "Exploiting angular momentum to enhance bipedal center-of-mass control," in Proc. IEEE Int. conf robot. Auto., May 2009, pp. 4423-4429
- 4] R. Hinata and D. N. Nenchev, „Balance stabilization with angular momentum damping derived from the reaction null-space,“ Proc. 18th IEEE-RAS Int. Conf. Humanoid Robots, pp. 188-195, 20184] R Hinata and D N Nenchev, "Balance stabilization with angular momentum damping derived from the reaction null-space," Proc. 18th IEEE RAS Int. conf Humanoid Robots, pp. 188-195, 2018
- [5] Abdallah, M., & Goswami, A. „A biomechanically motivated two-phase strategy for biped upright balance control,“ in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom, 2005, April, pp. 1996-2001.[5] Abdallah, M., & Goswami, A. "A biomechanically motivated two-phase strategy for biped upright balance control," in Proc. IEEE Int. conf robot. Auto, 2005, April, pp. 1996-2001.
- [6] Goswami, Ambarish, and Muhammad E. Abdallah. „Systems and methods for controlling a legged robot using a two-phase disturbance response strategy.“ U.S. Patent No. 7,835,822. 16 Nov. 2010. US7835822B2[6] Goswami, Ambarish, and Muhammad E. Abdallah. "Systems and methods for controlling a legged robot using a two-phase disturbance response strategy." patent no. 7,835,822. 16 Nov 2010. US7835822B2
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[7]
DE 10 2010 064 270 B4 DE 10 2010 064 270 B4 -
[8]
EP 1 649 983 B1 EP 1 649 983 B1 -
[9]
EP 1 642 688 B1 EP 1 642 688 B1 -
[10]
EP 1 642 687 B9 EP 1 642 687 B9 -
[11]
EP 1 475 196 B1 EP 1 475 196 B1 -
[12]
EP 1 334 901 B1 EP 1 334 901 B1
Ausgehend von den vorbezeichneten Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Anmeldung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ausbalancierung eines Roboters unter einwirkenden externen Störungen sowie ein verbessertes Verfahren zur Ganzkörpersteuerung eines Roboters unter extern einwirkenden Störungen sowie einen entsprechenden Regler oder einen Roboter bereit zu stellen.Based on the aforementioned disadvantages of the prior art, the present application is based on the object of providing an improved method for balancing a robot under the influence of external disturbances and an improved method for controlling the whole body of a robot under the influence of external disturbances, as well as a corresponding controller or a robot .
Die vorliegende Erfindung behandelt ein Verfahren, um humanoiden Robotern die Fähigkeit zu verleihen, auch in unfreiwilligen Kontaktsituationen (z.B. Stöße) aufrechte Balance zu bewahren und ein Hinfallen des Roboters zu verhindern. Dabei wird der schwerpunktsbezogene Drehimpuls des humanoiden Roboters aktiv geregelt, um Kräfte und Drehmomente zu erzeugen, welche den externen Kräften (induziert durch Kontakte mit der Umgebung) entgegenwirken. Im Gegensatz zu Satelliten im Orbit können humanoide Roboter einen Drehimpuls nur bis zu einer gewissen Magnitude generieren und dies auch nur für eine begrenzte Dauer, da ansonsten Positions- und/oder Geschwindigkeitsbegrenzungen in den Gelenken des Roboters erreicht werden. Diese Eigenschaften müssen bei der Erzeugung eines Drehimpulses berücksichtigt werden. Die hier vorgestellte Methode generiert, abhängig von den externen Kräften, eine Referenztrajektorie für den gewünschten Drehimpuls. Dabei wird berücksichtigt, dass der Drehimpuls schnell genug wieder reduziert werden muss, um das Erreichen von Positions- und/oder Geschwindigkeitsbegrenzungen in den Gelenken zu verhindern. Basierend auf dieser Referenztrajektorie werden Ganzkörperbewegungen erzeugt, welche den gewünschten Drehimpuls im humanoiden Roboter induzieren. Ein besonderer Fokus wird hierbei auf die kinematische Umsetzbarkeit der erzeugten Trajektorien gelegt.The present invention deals with a method to give humanoid robots the ability to maintain upright balance even in involuntary contact situations (e.g. bumps) and to prevent the robot from falling. The center of gravity-related angular momentum of the humanoid robot is actively controlled in order to generate forces and torques that counteract the external forces (induced by contacts with the environment). In contrast to satellites in orbit, humanoid robots can only generate angular momentum up to a certain magnitude and only for a limited period of time, otherwise position and/or speed limits in the robot's joints are reached. These properties must be taken into account when generating angular momentum. Depending on the external forces, the method presented here generates a reference trajectory for the desired angular momentum. It is taken into account that the angular momentum must be reduced again quickly enough to prevent the position and/or speed limits in the joints from being reached. Based on this reference trajectory, whole-body movements are generated, which induce the desired angular momentum in the humanoid robot. A special focus is placed on the kinematic feasibility of the generated trajectories.
Gemäß dem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Balancierung eines Roboters zum Ausgleich von extern einwirkenden Störungen, der Roboter umfassend: mindestens zwei Körpersegmente, mindestens ein Gelenk mit der Anzahl von
das Verfahren umfassend die Schritte:
- a) Überwachen und Ermitteln der auf den Roboter extern einwirkenden Kontaktmomente τext;
- b) Überprüfen, ob die ermittelten Kontaktmomente τext mindestens einen vorgegebenen Grenzwert τthres überschreiten;
- c) bei Überschreiten des mindestens einen vorgegebenen Grenzwertes τthres in Schritt b) Ausführen der Teilschritte c1) bis c3):
- c1) Berechnen eines erforderlichen Referenzschwerpunktdrehimpulses (CAM)
- c2) Induzieren des erforderlichen Referenzschwerpunktdrehimpulses
- c1) Berechnen eines erforderlichen Referenzschwerpunktdrehimpulses (CAM)
- d) Berechnen von Ganzkörperbewegungen xcmd mittels eines Ganzkörperbewegungsoptimierers, welcher den Referenzschwerpunktdrehimpuls
- e) Induzieren der berechneten Ganzkörperbewegungen xcmd durch Verändern der Stellung q mindestens eines Gelenks mittels mindestens einer Stelleinrichtung des Roboters; sowie
- f) kontinuierliches Wiederholen der vorbezeichneten Verfahrensschritte.
the procedure comprising the steps:
- a) Monitoring and determination of the contact moments τ ext acting externally on the robot;
- b) checking whether the determined contact torques τ ext exceed at least one predetermined limit value τ thres ;
- c) if the at least one predetermined limit value τ thres is exceeded in step b) execution of sub-steps c1) to c3):
- c1) Calculating a required reference centroid angular momentum (CAM)
- c2) Inducing the required reference centroid angular momentum
- c1) Calculating a required reference centroid angular momentum (CAM)
- d) Calculating whole-body motions x cmd using a whole-body motion optimizer that uses the reference centroid angular momentum
- e) inducing the calculated whole-body movements x cmd by changing the position q of at least one joint by means of at least one actuating device of the robot; such as
- f) continuous repetition of the aforementioned process steps.
Das erfindungsgemäße Verfahren generiert eine Drehimpulsreferenztrajektorie für Balancier-Szenarien zur Laufzeit, abhängig von den wirkenden externen Kräften, um diesen entgegen zu wirken und ein Umfallen des Roboters zu verhindern. Die Methode berücksichtigt die Kraftmagnitude, den Kraftangriffspunkt und die Kraftrichtung. Der Verlauf der Drehimpulsreferenztrajektorie kann durch zwei Einstellparameter mit klarer physikalischer Interpretation angepasst werden. Die Drehimpulsreferenztrajektorie wird in drei aufeinanderfolgenden Phasen generiert. In der ersten Phase wird basierend auf den wirkenden Kontaktkräften und -drehmomenten ein benötigter Drehimpuls berechnet, um den „Center of Pressure (CoP)“ innerhalb der Aufstützfläche („support area“) zu halten. Falls der CoP die Kanten der Aufstützfläche erreicht, kann dies zum Umfallen des Humanoiden führen, dies gilt es in der ersten Phase zu verhindern. Die erste Phase wird aktiviert, sobald ein vorgegebener Grenzwert als Funktion der maximal zulässigen Kontaktmomente überschritten wird. Die erste Phase kann unabhängig von Aufgabenkonflikten aktiviert werden. Durch den dazugehörigen Einstellparameter kann sichergestellt werden, dass ein Drehimpuls generiert wird, bevor die Kontaktbedingungen erreicht werden. In der zweiten Phase muss der induzierte Drehimpuls wieder abgebaut werden. Dies darf nicht zu abrupt erfolgen, da die erste Zeitableitung des Drehimpulses direkt mit der Auslenkung des CoP zusammenhängt. The method according to the invention generates an angular momentum reference trajectory for balancing scenarios at runtime, depending on the acting external forces, in order to counteract them and prevent the robot from falling over. The method takes into account the magnitude of the force, the point of application of the force and the direction of the force. The course of the angular momentum reference trajectory can be adjusted by two setting parameters with clear physical interpretation. The angular momentum reference trajectory is generated in three consecutive phases. In the first phase, based on the acting contact forces and torques, a required angular momentum is calculated in order to keep the "Center of Pressure (CoP)" within the "support area". If the CoP reaches the edges of the support surface, this can cause the humanoid to fall over, which must be prevented in the first phase. The first phase is activated as soon as a predetermined limit as a function of the maximum permissible contact torque is exceeded. The first phase can be activated independently of task conflicts. The associated setting parameter can be used to ensure that angular momentum is generated before the contact conditions are reached. In the second phase, the induced angular momentum has to be reduced again. This must not be too abrupt, since the first time derivative of angular momentum is directly related to the deflection of the CoP.
Erfindungsgemäß kann dieses Problem durch die Verwendung eines Polynoms der dritten Ordnung und der Anpassung der Dauer von Phase 2 basierend auf dem maximal generierten Drehimpuls in Phase 1 gelöst werden. Dadurch ist ein Abbau des Drehimpulses sichergestellt, ohne Gelenkgeschwindigkeiten und -beschleunigungen zu verlangen, welche möglicherweise Positions- und/oder Geschwindigkeitsbegrenzungen in den Gelenken überschreiten könnten. Während der 3. Phase beträgt die Drehimpuls-Referenz dauerhaft null. Ein Bewegungsoptimierer, welcher die Drehimpuls-Referenz als Eingang hat und kinematisch und dynamisch umsetzbare Gelenktrajektorien generiert, stellt sicher, dass der Roboter zu einer vorgegebenen Referenzpose konvergiert und nur ein betragsmäßig kleiner Drehimpuls mit umgekehrtem Vorzeichen, zu dem in Phase 1 und 2 induziert wird. Zu jedem Zeitpunkt ist ein Wechsel in Phase 1 möglich, falls ein erneuter Stoß detektiert wird.According to the invention, this problem can be solved by using a third order polynomial and adjusting the duration of
Ein Bewegungsoptimierer erzeugt basierend auf der Drehimpulsreferenztrajektorie kinematisch und dynamisch umsetzbare Ganzkörperbewegungen. Der optimierungsbasierte Ansatz ermöglicht die flexible Gewichtung der Beiträge von unterschiedlichen Körpersegmenten zum resultierenden Drehimpuls, welche zur Laufzeit anpassbar sind. Ebenfalls zur Laufzeit können unterschiedliche Kontaktkonfigurationen gewählt werden (zum Beispiel Balancieren auf einem oder beiden Beinen).A motion optimizer generates kinematic and dynamic whole-body motion based on the angular momentum reference trajectory. The optimization-based approach enables the flexible weighting of the contributions from different body segments to the resulting angular momentum, which can be adjusted at runtime. Different contact configurations can also be selected at runtime (e.g. balancing on one or both legs).
Dieser Abschnitt gibt einen Überblick über das Dynamikmodell des Roboters, welches bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendet wird und den Berechnungen zugrunde liegt.This section gives an overview of the dynamic model of the robot, which is used in the method according to the invention and forms the basis of the calculations.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen werden, als extern einwirkende Kontaktmomente τext kontinuierlich die Kontaktmomente τv in der Aufstützfläche des Roboters zu überwachen. Der Wert
Erfindungsgemäß wird die Aufstützfläche auf einem planaren Untergrund gebildet durch das konvexe Polygon mindestens einer Kontaktfläche des Roboters mit dem Untergrund, bei der mindestens einen Kontaktfläche kann es sich beispielsweise um die Stützflächen des Roboters handeln, welche auf dem Untergrund aufliegen.According to the invention, the support surface is formed on a planar base by the convex polygon of at least one contact surface of the robot with the base. The at least one contact surface can be, for example, the support surfaces of the robot that rest on the base.
A. Dynamisches ModellA. Dynamic model
Als Systemmodell für einen humanoiden Roboter wird eine Gleitfußdynamik mit n drehmomentgesteuerten Gelenken angewendet. Anstelle der Basiskoordinaten wird die Position des CoM xc ∈ ℝ3 verwendet zusammen mit der Ausrichtung der Hüfte Rb ∈ SO(3) und mit den entsprechenden Translations- und Rotationsgeschwindigkeiten ẋc ∈ ℝ3 und ωb, ∈ ℝ3, die zu dem Geschwindigkeitsvektor
Der Schwerpunktdrehimpuls lc ∈ ℝ3 hängt linear vom Geschwindigkeitsvektor ab
B. Auf Passivität basierende GanzkörpersteuerungB. Whole-body control based on passivity
Die Ableitung der Steuerung in diesem Abschnitt geht davon aus, dass der Roboter bei doppelter Stützfläche balanciert, aber die Formulierung kann durch Anwenden mehrerer Modifikationen auf weitere Kontaktkonfigurationen ausgeweitet werden.The derivation of the control in this section assumes that the robot balances with double the support surface, but the formulation can be extended to other contact configurations by applying several modifications.
Inspiriert durch PD+-Steuerung [26] wird das Regelschleifenverhalten formuliert wie folgt:
Die CoM-assoziierten Impedanzen werden definiert durch
Durch Vergleichen der Systemdynamik (1) und des gewünschten Regelschleifenverhaltens (4), wobei lediglich die oberen sechs Zeilen betrachtet werden, erhält man die folgende Gleichung
Bevorzugt werden während der Ausführung der Schritte c1) bis c3) parallel und kontinuierlich die Verfahrensschritte a) und b) ausgeführt, bei Überschreiten mindestens einen vorgegebenen Grenzwertes Schritt b) die aktuell ablaufende Ausführung der Schritte c1) bis c3) abgebrochen und die Schritte c1) bis c3) erneut ausgeführt.Method steps a) and b) are preferably carried out in parallel and continuously during the execution of steps c1) to c3), if at least one predetermined limit value is exceeded in step b), the currently running execution of steps c1) to c3) is aborted and steps c1) to c3) executed again.
Erfindungsgemäß kann es weiterhin vorgesehen werden, dass der Verfahrensschritt d) die folgenden Schritte umfasst:
- d1) Aufteilen der Gesamtanzahl der
n Freiheitsgrade im Aufgabenraum in: k zu beeinflussende Freiheitsgrade mit den zugehörigen Aufgabenvariablen xa sowie inn — k unveränderte Freiheitsgrade mit den zugehörigen Aufgabenvariablen xu, mit - d2) Bestimmen der optimierten Geschwindigkeiten unter Erfüllung der Beziehung:
- d3) Lösen der Beziehung in d2) durch Formulieren eines quadratischen Optimierungsproblems mit Nebenbedingungen zu:
- d4) Berechnen der optimierten Position
- d5) Zusammensetzen der optimierten Position
- d1) Dividing the total number of
n Degrees of freedom in the task space in: k degrees of freedom to be influenced with the associated task variables x a and inn — k unchanged degrees of freedom with the associated task variables x u , with - d2) determining the optimized speeds satisfying the relationship:
- d3) Solving the relation in d2) by formulating a quadratic optimization problem with constraints to:
- d4) Calculating the optimized position
- d5) assembling the optimized position
A. GanzkörperbewegungsoptimierungA. Whole Body Movement Optimization
Der gesamte Aufgabenraum wird in k Freiheitsgrade-DoFs, die innerhalb des Bewegungsoptimierers angepasst werden, und die übrigen
Das transformierte CMM und der Aufgabenraum-Geschwindigkeitsvektor (3) können dementsprechend aufgeteilt werden als
Das Ziel besteht darin, optimierte Geschwindigkeiten
Die gewünschte Geschwindigkeit
Der QP findet einen Kompromiss zwischen einer Drehimpulsaufgabe (14a) und einer Referenzhaltungsaufgabe (14b). Die nicht-strikten Prioritäten zwischen den beiden Aufgaben können auf Basis der Wahl der Gewichtungsmatrizes Ql und Qp > 0, die beide positiv definit und symmetrisch sind, angepasst werden. Eine nichtstrikte Aufgabenhierarchie ist notwendig, damit der Roboter sich seiner Referenzhaltung ganz annähern kann, auch wenn
Die kinematischen Beschränkungen im Aufgabenraum (15) stellen sicher, dass vordefinierte Positionsbegrenzungen
Bevorzugt kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass im Verfahrensschritt a) zusätzlich die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- a1) bei dem Vorliegen einer Mehrzahl von Stützflächen, Ersetzen der Mehrzahl von Stützflächen durch eine einzige virtuelle Aufstützfläche, deren Mittelpunkt xv durch den Mittelpunkt der mehreren Stützflächen gebildet wird und deren Fläche, welche der Summe der mehreren Stützflächen entspricht,
- a2) Berechnen des Kontaktdrehmomentes τv ∈ ℝ3 der virtuellen Aufstützfläche zu:
- a3) weiteres Aufteilen der Kontaktdrehmomente in Schritt a2) zu:
- wobei
- a4) Umformulieren der Vorsteuerungs-Terme in (8) die mit erweiterter Trägheits- und Coriolis-Matrix wie folgt umformuliert werden zu:
- a1) in the presence of a plurality of support surfaces, replacing the plurality of support surfaces with a single virtual support surface, whose center point x v is formed by the center point of the multiple support surfaces and whose area corresponds to the sum of the multiple support surfaces,
- a2) Calculation of the contact torque τ v ∈ ℝ 3 of the virtual contact surface to:
- a3) further splitting of the contact torques in step a2) to:
- whereby
- a4) Rewrite the feedforward terms in (8) which, with the extended inertia and Coriolis matrix, are rewritten as follows:
B. Hüft- und Fußgelenksstrategie im Kontext von auf Passivität basierender GanzkörpersteuerungB. Hip and ankle strategy in the context of passivity-based whole-body control
Für Ausbalancierungsszenarios erzeugt der High-Level-Planner Trajektorien, um eine feste Haltung zu bewahren, d.h., dass die Referenzwerte auf Geschwindigkeits- und Beschleunigungsebene null sind,
Der Referenz-Schwerpunktdrehimpuls wird auf Basis der erforderlichen Kontaktdrehmomente berechnet. Um das Auslenkungsverteilungsproblem zu umgehen und die adjungierte Matrix (8) invertierbar zu machen, werden die Kontaktdrehmomente für einen einzelnen virtuellen Standfuß berechnet, dessen Zentrum sich bei doppelter Stützung zwischen der Position des rechten und des linken Fußes befindet, d. h.
Die Vorsteuerungs-Terme in (8) können mit erweiterter Trägheits- und Coriolis-Matrix wie folgt umformuliert werden:
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen werden, dass die Grenzen für die xy-Ebene auf Basis der Beschränkung berechnet werden, dass der kombinierte Druckmittelpunkt pv ∈ ℝ2 innerhalb einer virtuellen Aufstützfläche Sv
C. Schwerpunktdrehimpuls-Referenzwerterzeugung für Ausbalancierungsszenarios mit KraftstörungC. Centroid angular momentum reference generation for force disturbance balancing scenarios
In diesem Abschnitt wird ein Verfahren für die Planung der Aktivierungszeit der Hüftstrategie vorgestellt, und ein entsprechender Schwerpunktdrehimpuls-Referenzwert wird bereitgestellt. Auf Basis von
1) Schwerpunktdrehimpuls-Erzeugungsphase: Die erste Phase wird aktiviert, nachdem ein Stoß stattgefunden hat, der erfasst wird, wenn der entsprechende
Die Änderungsrate des Referenz-Schwerpunktdrehimpuls ist definiert als die Differenz des Winkeldrehmoments und dessen Schwellenwerts.
Diese Differenz kann als das zusätzliche Hüftdrehmoment in (19), das nötig ist, um τv innerhalb seiner Grenzen zu halten, interpretiert werden. Der entsprechende Referenz-Schwerpunktdrehimpuls
Es kann vorgesehen werden, dass im Verfahrensschritt b) als Kontaktmoment τext das Kontaktdrehmoment des virtuellen Standbeins bzw. der Aufstützfläche
Diese Differenz kann als das zusätzliche Hüftdrehmoment in (19), das nötig ist, um τv innerhalb seiner Grenzen zu halten, interpretiert werden. Der entsprechende Referenzschwerpunktimpuls
Gemäß dem vorliegenden Verfahren kann es weiterhin vorgesehen werden, dass im Verfahrensschritt c3) die Gesamtdauer für die Reduktion des Referenzschwerpunktimpulses auf 0 wird als T = t3 - t2 definiert mit t2 als Startzeitpunkt und t3 als Endzeitpunkt der Reduktion des Referenzschwerpunktdrehimpulses, Vorgeben der Referenzschwerpunktdrehimpulses über folgende Beziehung:
Ermitteln der von T auf Basis der kritischen Punkte von
2) Schwerpunktdrehimpuls-Reduzierungsphase:2) Centroid angular momentum reduction phase:
Während Phase 1 nimmt der Referenz-Schwerpunktdrehimpuls monoton zu. Nachdem der Stoß ausgeglichen wurde, hat der Referenz-Schwerpunktdrehimpuls einen Wert ungleich null, der weich auf null gesenkt werden muss, um den Roboter wieder zur Ruhe zu bringen. Daher wird ein Polynom dritter Ordnung verwendet, um eine Trajektorie zu erzeugen, während eine C1-Kontinuität sichergestellt wird, um Sprünge im resultierenden
Der Systemzustand, wenn die Phase 2 aktiviert wird, wird als Anfangsbedingung für das Polynom verwendet. Um den Roboter nach Phase 2 anzuhalten, müssen der Schwerpunktdrehimpuls und seine Zeitableitung am Ende der Trajektorie null sein. Phase 2 ist innerhalb des Zeitintervalls t ∈ [t2, t3] definiert. Die Schwerpunktdrehimpuls-Referenztrajektorie wird formuliert als
Es gilt zu beachten, dass T nicht beliebig groß gewählt werden kann, ohne kinematische Grenzen zu erreichen, während ein kleines T eine hohe maximale Änderungsrate von Schwerpunktdrehimpuls induziert. Um einen Kompromiss zu finden, wird
Kleine Werte für β erhöhen das Risiko für die Aktivierung von Positionsgrenzen, während große Werte zu einer aggressiven Reduzierung des Schwerpunktdrehimpulses führen können. Beide Szenarios können den CoP zum Rand der Aufstützfläche hin ablenken und möglicherweise bewirken, dass der Roboter umfällt. Gute Ergebnisse wurden erzielt mit β ∈ [0.3, 0.5]. Diese Formulierung ist ein guter Anhaltspunkt dafür, wie schnell der Schwerpunktdrehimpuls reduziert werden sollte, aber keine formale Garantie dafür liefert, dass kinematische Grenzen oder Kontaktbeschränkungen nicht erreicht werden.Small values of β increase the risk of activating position limits, while large values can result in an aggressive reduction in centroid angular momentum. Both scenarios can distract the CoP towards the edge of the support surface and possibly cause the robot to fall over. Good results have been obtained with β ∈ [0.3, 0.5]. This formulation gives a good indication of how quickly the center of gravity angular momentum should be reduced, but does not provide a formal guarantee that kinematic limits or contact limitations will not be reached.
3) Haltungswiederherstellungsphase:3) Posture Recovery Phase:
Nachdem Phase 2 abgeschlossen wurde, wird der Referenz-Schwerpunktdrehimpuls auf null reduziert, aber die Roboterkonfiguration weicht immer noch von ihrer Referenzpose ab. An diesem Punkt wird die Haltungsaufgabe (14b) der Bewegungsoptimierung dominant. Sie sorgt für eine rasche Rückkehr zu der anfänglichen Roboterkonfiguration, während sie nur einen kleinen Schwerpunktdrehimpuls mit entgegengesetztem Vorzeichen zu dem, der in den Phasen 1 und erzeugt wurde, induziert. Das Schwerpunktdrehimpuls-Tracking hängt von Auswahl der Gewichtsmatrix ab. Durch Vergrößern von Ql in (13), während gleichzeitig Qp konstant gehalten wird, erhält man ein besseres Schwerpunktdrehimpuls-Tracking, verlängert aber auch die Konvergenzzeit in Bezug auf die Referenzpose und infolgedessen die Gesamtdauer der Phase 3, siehe
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zur Ganzkörpersteuerung eines Roboters zum Ausgleich von externen einwirkenden Störungen der Roboter umfassend: mindestens zwei Körpersegmente, mindestens ein Gelenk mit der Anzahl von n Freiheitsgraden zur gelenkigen Verbindung der Körpersegmente mit mindestens einer Stelleinrichtung zur aktiven Beeinflussung der Stellung q des mindestens einen Gelenks, sowie eine Aufstützfläche; wobei das Regelschleifenverhalten zur Steuerung der mindestens einen Stelleinrichtung zu:
wobei die kartesische Ausrichtung der Hüfte von einer virtuellen Rotationsfeder
where the Cartesian alignment of the hip from a virtual torsional spring
Berechnen der finalen Steuerungsdrehmomente:
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Regler umfassend mindestens eine Recheneinheit und eine Speichereinheit vorgesehen werden, wobei auf der Speichereinheit Instruktionen zur Ausführung des Balancierverfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung oder zur Ausführung der Ganzkörpersteuerung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch die Recheneinheit abgelegt sind.According to a third aspect of the present invention, a controller can be provided comprising at least one computing unit and one memory unit, instructions for executing the balancing method according to the first aspect of the present invention or for executing the whole-body control according to the second aspect of the present invention being stored on the memory unit by the Arithmetic unit are stored.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann erfindungsgemäß ein Roboter umfassend mindestens zwei Körpersegmente, mindestens ein Gelenk zur gelenkigen Verbindung der Körpersegmente mit mindestens einer Stelleinrichtung zur aktiven Beeinflussung des mindestens einen Gelenks sowie eine Aufstützfläche und eine Recheneinheit vorgesehen werden, welche zur Ausbalancierung des Roboters das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ausführt.According to a further aspect, according to the invention, a robot can be provided comprising at least two body segments, at least one joint for the articulated connection of the body segments with at least one actuating device for actively influencing the at least one joint as well as a support surface and a computing unit, which use the method according to the invention to balance the robot the first aspect of the present invention.
Es werden zwei Szenarien vorgestellt, um die Leistungsfähigkeit des Push-Recovery-Verfahrens in dem realen System zu bewerten. In dem ersten Szenario steht der Roboter aufrecht und stützt sich an zwei Stellen auf und wird innerhalb der Sagittalebene (entlang der x-Achse) auf der Höhe der Hüfte mit einer maximalen Kraft von 65 N und einem Impuls von 18 Ns (0,227
Das Fußgelenks-, das Hüft- und das resultierende Kontaktdrehmoment des virtuellen Standfußes sind in
Im zweiten Versuch balanciert der Roboter auf dem rechten Bein und wird von vorne mit einer maximalen Kraft von 75 N und einem Impuls von 22,5 Ns (0,284
Es ist zu beachten, dass der Roboter bei einfacher Abstützung im Vergleich zu einem gleichen Versuchsaufbau bei doppelter Abstützung Stöße in der Sagittalebene von größerer Stärke kompensieren kann. Das Ausmaß des Unterstützungsbereichs in der x-Richtung ist bei beiden Konfigurationen gleich, aber bei der einfachen Abstützung erzeugt das Spielbein fast die Hälfte des Spitzen-Schwerpunktdrehimpulses in der y-Richtung, siehe
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Legal Events
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