CZ307125B6

CZ307125B6 - Řízení pohybu antropomorfních robotických systémů s mnoha stupni volnosti na základě principů nezávislého řízení pohybu ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice a antropomorfní robotický systém

Info

Publication number: CZ307125B6
Application number: CZ2015-842A
Authority: CZ
Inventors: Alexander Frolov; Dušan Húsek; Václav Snášel; Alexei Alexandrov; Pavel Bobrov
Original assignee: Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2018-01-24
Also published as: CZ2015842A3

Description

Oblast techniky

Přihláška vynálezu se zaobírá oblastí robotiky - zejména pak řízení antropomorfních robotů a manipulátorů, které umožňují komfortní mechanickou interakci s tělem člověka.

Dosavadní stav techniky

Fyziologické řídící mechanismy zajišťující stabilní držení těla a pohyb u lidí jsou intenzivně studovány již dlouhou dobu. Výsledkem těchto výzkumů je existence několika hypotéz o fungování daných mechanismů (Bernstein, 1967; Massion, 1992; Horák, Macpherson, 1996 a další).

Naproti tomu vývoj metod pro stabilní držení těla a pohyb stojícího antropomorfního robota je poměrně nový (články - Hettich et al., 2011). Nicméně, i když systém pro řízení pohybu u člověka vykazuje vysokou efektivitu, dosud nedosažitelnou při řízení robota (články - Noří et al. 2014), vývoj těchto metod prakticky nebere v úvahu data získaná při studiu pohybu člověka. Výjimkou jsou práce, ve kterých se vědečtí pracovníci snaží zkoumat možnost použití mechanismů pro držení těla a ovládání pohybu člověka k řízení robotů (články - Mergner et al., 2003, 2006, 2009; Mergner, 2010).

Zejména je známo (Peterka, 2002, 2009; Frolov et al., 2000, 2006), že u člověka při řízení pohybu existuje vysoká latence ve zpětnovazební smyčce. Např. při ovládání pohybu ruky, jde o 40 až 50 ms (Frolov et al., 2000, 2006), a u ovládání pohybu nohy - o 120 až 200 ms (Alexandrov et al., 2005, 2011; Peterka, 2002, 2009). Požadavek na stabilitu řízení při velkých latencích klade jistá omezení na hodnoty parametrů zpětnovazebního regulátoru nejen zdola, ale i shora (Alexandrov et al., 2005, 2011; Peterka, 2002, 2009). Z důvodu horního ohraničení jsou tyto parametry u člověka o několik řádů nižší než u běžných průmyslových robotů a manipulátorů. Ale při relativně nízkých hodnotách těchto parametrů se začíná projevovat dynamická interakce mechanických částí systému, a při nezávislé regulaci v jednotlivých kloubech se pak pohyb stane nemonotónní chaotický a jen málo podobný cílevědomému pohybu.

V centrálním nervovém systému člověka, je tento problém překonán tak, že se regulace provádí na základě kompletního stavu systému (full statě control), kdy se všechny klouby současně regulují na základě odchylek od zadané dráhy ve všech kloubech v daném okamžiku (Frolov et al., 2000, 2006; Barin, 1989) a nikoliv jen vjednom daném kloubu, jak je tomu u standardních robotů a manipulátorů. Navíc, při výzkumu mechaniky předklonů u člověka vedených v sagitální rovině (Alexandrov et al., 2001 a,b, 2005, 2011) bylo pozorováno, že řídicí parametry získané na základě kompletního stavu systému nejsou nezávislé, takže model regulace na základě kompletního stavu systému je redundantní. Ve skutečnosti, v systému řízení pohybu člověka se nezávisle regulují pohyby ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy pohybové rovnice, které jsou autory nazývány jako charakteristické pohyby.

Popis pohybu složitého systému s mnoha klouby s pohyby ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice umožňuje rozdělit provázaný systém dynamických rovnic na nezávislé skalární rovnice. Jedná se o unikátní vlastnost charakteristických vektorů dynamických rovnic, která umožňuje řídit pohyb ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice nezávisle a přitom eliminuje jejich linearizované dynamické interakce. Rozhodnutí popsat pohyb v jakýchkoliv jiných zobecněných souřadnicích, a například popis pohybu s pomocí úhlů v kloubech způsobí, že celý systém dynamických rovnic bude provázaný.

- 1 CZ 307125 B6

První výhodou řízení ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice ve srovnání s nezávislým řízením úhlů v kloubech je, že při dlouhých zpožděních ve zpětnovazební regulační smyčce je oblast stability regulačních parametrů mnohem větší, a možnost stabilní regulace je možná za mnohem vyšší latence. Druhou výhodou je, že vzhledem k neexistenci linearizované dynamické interakce mezi pohyby ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice dokonce i při relativně nízkých parametrech zpětnovazebního regulátoru zůstává pohyb mechanického systému monotónní, hladký a předvídatelný, tak jak je to pozorováno u pohybu člověka.

Další zařízení obdobného typu z oblasti patentové literatury, jsme zahrnuli v následujícím výčtu:

Dokument - CN 105116729 (A) - tento vynález popisuje způsob ovládání a systém dvoukolového samo-vyvažujícího se robota se samo adaptivní měnící se klouzavou metodou řízení (sliding mode control (SMC)). Řešení neuvažuje možnost použití řízení pohybu na principu nezávislosti pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice s pomocí adaptivního zpětnovazebního regulátoru (PID) s parametry odvozenými od stavu systému, tj. neuvažuje řízení, které je předmětem této patentové přihlášky. Dalším řešením z této oblasti je spis CN 105068421 (A), kdy je předmětem vynálezu kooperativní metoda řízení se dvěma stupni volnosti pro více mobilních robotů. Tato metoda nepředpokládá řízení pohybu na principu nezávislosti pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice s pomocí adaptivního zpětnovazebního regulátoru (PID) s parametry odvozenými od stavu systému, tj. neuvažuje řízení, které je předmětem této patentové přihlášky. Předmětem spisu CN 102825601 (A) je master-slave antropomorfní robot (ruka) se šesti stupni volnosti. Mechanická konstrukce je navržena tak že eliminuje gravitační síly. Metoda modelování, řízení a přenos sil, působící na robotickou dlaň, do ruky operátora jsou tak zjednodušeny. Nicméně ve spise se nepředpokládá řízení pohybu na principu nezávislosti pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice s pomocí adaptivního zpětnovazebního regulátoru (PID) s parametr}' odvozenými od stavu systému, tj. neuvažuje řízení, které je předmětem této patentové přihlášky. Další řešení z této oblasti je uvedeno v dokumentu CN 101639665, kde v textu je popsán způsob řízení humanoidního robota s vynikající schopností práce v reálnémčase a s vysokou inženýrskou praktičností. K řízení je použit princip nulového momentu (ZPM) a prediktivní model, který je v průběhu řízení korigován podle úplného stavu systému. V tomto dokumentu je k řízení zvolena metoda, která nepředpokládá řízení pohybu na principu nezávislosti pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice s pomocí adaptivního zpětnovazebního regulátoru (PID) s parametr}' odvozenými od stavu systému, tj. neuvažuje řízení, které je předmětem této patentové přihlášky. Účelem spisu CN IO1O36838(A) je poskytnout sadu funkcí pro dynamické modelování a zábavu v jednom, neboli mobilní interaktivní platformu, také označovanou jako inteligentní učící se robotický kamarád. Tento systém předpokládá použití k řízení pohybů PID regulátor se zpětnou vazbou. Nicméně tento systém nepředpokládá řízení pohybu na principu nezávislosti pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice s pomocí adaptivního zpětnovazebního regulátoru (PID) s parametry odvozenými od stavu systému, tj. neuvažuje řízení, které je předmětem této patentové přihlášky.

Zajímavým řešením je i RU 2134193 Cl, kdy po technické stránce řešení přináší zvýšení kvality řízení. Jeho podstatou je přenos údajů o stavu robota přes komunikační kanál na mechanizmus závěsu, který dá tělu člověka-operátora stejnou úhlovou orientaci, jako má korpus robota, to umožňuje člověku svými rovnovážnými orgány vnímat všechny změny v úhlové orientaci robota, což má ve svém důsledku zvýšit přesnost řízení robota. Řešení využívá kopírující metodu řízení, a tedy nepoužívá koncept řízení pohybu na principu nezávislosti pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice s pomocí adaptivního zpětnovazebního regulátoru (PID) s parametry odvozenými od stavu systému, tj. neuvažuje řízení, které je předmětem této patentové přihlášky.

-2CZ 307125 B6

Stejně jako v patentové literatuře, je možné nalézt informace o obdobných řešení i v textech článků, jako je např. Generál Biped Motion and Balance of a Human Model, který se týká algoritmu pro predikci dynamických pohybů dvounohého modelu člověka Santos™. Je zde navržena alternativní a efektivní formulace metody nulového momentu (Zero-moment Point -ZMP) pro dynamické vyvažování a aproximaci sil/momentů z podložky, které jsou odvozeny z výsledných reakcí na zatížení, která zahrnují gravitační síly, externě aplikované zátěže a setrvačnost. Problém optimálnosti je formulován tak, aby uvažoval redundanci lidských úkonů, při současné aplikaci obecných omezení na pohyb dvounožce a specifických omezení pro provedení požadovaného úkonu. Navržená metoda je plně prediktivní a generuje fyzicky proveditelné, člověku podobné pohyby od nuly, bez jakýchkoliv referenčních dat z vnějšku jako je záznam pohybu nebo animace. Výsledné generované pohyby demonstrují, jak člověk při vykonávání dané úlohy efektivně reaguje na různé externí druhy zátěže, tím že ukazuje realistické vlastnosti příčiny a dopadu.

V algoritmu a ani v modelu se nepoužívá koncept řízení pohybu na principu nezávislosti pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice s pomocí adaptivního zpětnovazebního regulátoru (PID) s parametry odvozenými od stavu systému, tj. neuvažuje řízení, které je předmětem této patentové přihlášky.

Podstata vynálezu

Podstatou přihlášky vynálezu je metoda řízení pohybu antropomorfních robotů a manipulátorů s mnoha stupni volnosti na základě principů nezávislého řízení pohybů ve směrech charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice, které je založeno na výzkumu pohybových stereotypů u lidí.

Potřeba takového řízení je obzvláště důležitá pro vývoj mechanických systémů, které interagují přímo s lidským tělem, jako jsou například různé exoskelety a podobně.

V posledních letech se stále více používají v rámci rehabilitačních procedur exoskelety lidských končetin s cílem obnovení motorických funkcí u pacientů po mozkové příhodě nebo po různých traumatech včetně mozku. Nicméně pohyby, prováděné pomocí standardních exoskeletů, které mají parametry zpětnovazebního regulátoru o několik řádů vyšší, než by odpovídalo možnostem končetin člověka, jsou vnímány pacienty jako nepřirozeně vynucené a neodpovídající jejich potřebám, což vede k nechuti, nebo dokonce až k odmítnutí jejich užití.

Pro komfortní interakci končetiny pacienta a exoskeletů je potřeba dodržet hodnoty zpětnovazebního regulátoru exoskeletů, tak aby pohyb odpovídal možnostem a tudíž i chování lidského organismu, toho je dosaženo užitím principu řízení pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice pro řízení pohybu člověka.

Za tímto účelem je možné použít adaptivní PID regulátor s možností nastavení parametrů za provozu, jehož vstupem jsou požadované <p^dcs a aktuální hodnoty <p^cur zobecněných souřadnic používaných k popisu pohybu podle Lagrangeovy pohybové rovnice II. typu. Výstupem regulátoru je vektor T^con, nesoucí požadované hodnoty řídících zobecněných sil, takových, které zajistí korekci dráhy pohybu, při odchylce od požadované trajektorie. Parametry regulátoru, matice P, I a D, definující přínos proporcionální, integrální a diferenciální složky regulátoru do korekčních zobecněných sil, jež se vypočítávají v diskrétní sekvenci bodů A_b A₂,..., A_n__b A_n na trajektorii pohybu v prostoru zobecněných souřadnic v bloku nastavení parametrů PID regulátoru (BNP) jakje ukázáno na obr. 1. Body pro nové nastavení jsou zadávány předem nebo vybírány automaticky tak, aby mezi sousedními body nastavení parametrů PID bylo možno pohyb mechanického systému dostatečně přesně popsat pomocí lineární aproximace.

Způsob činnosti bloku (BNP) PID regulátoru, je tedy možné rozdělit do několika bloků, jak je uvedeno na obrázku 2. V bloku 1, se provádí lineární aproximace Lagrangeovy pohybové rovnice II. typu v okolí vybraného bodu nastavení se souřadnicemi φ₀. Přitom se v tomto bodě jako první

-3 CZ 307125 B6 přiblížení použije stacionární řešení, matice setrvačnosti C se přitom bere jako konstantní, Coriolisovy síly a odstředivé síly se zanedbávají, a gravitační síly jsou zadány s pomocí Hessianu od gravitační potenciální energie, který se v dalším nazývá gravitační maticí G.

V bloku 2 jsou vypočítávány vlastní vektory linearizované pohybové Lagrangeovy rovnice splňující rovnici GW=CWL, kde L je diagonální matice charakteristických čísel, a charakteristické vektory tvoří sloupce matice W. Jako výsledek přechodu k novým zobecněným souřadnicím ξ = \ν’(φ - φ₀), specifikující pohyb ve směru charakteristických vektorů linearizovaných rovnic pohybu, se tato rovnice rozpadá na systém nezávislých skalárních pohybových rovnic, z nichž každá má tvar rovnice pro normální nebo převrácené kyvadlo, jehož délka je definována absolutní hodnotou odpovídajícího vlastního čísla, a znaménko vlastního čísla určuje, zda jde o normální nebo převrácené kyvadlo. Hlavním rozdílem navrhovaného způsobu řízení je, že generálizováné síly η“^η = (CW)'¹ T^con’ které způsobují pohyb systému ve směru charakteristických vektorů, jsou řízeny nezávislými skalárními PID regulátory, tj. matice P_w, I_w a D_w, určující příspěvek proporcionální, integrální a diferenciální složky ke korektivním momentům síly η“’^η v závislosti na kinematické chybě ξ^άθδ - ξ^ειΙΓ, jsou diagonální.

V bloku 3 jsou pro každou získanou nezávislou rovnici pohybu vypočítány parametry PID regulátoru (tj. diagonálních prvky matic P_w, I_w a D_w, zajišťující optimální řízení pohybu ve směru charakteristického vektoru. Jako kritéria optimálnosti je například možné použít minima ukazatele Lyapunova (Lyapunovův exponent). Pro stabilní řízení by měl být tento ukazatel negativní, v tomto případě jeho absolutní převrácená hodnota, je časovou konstantou korekce odchylky od požadované trajektorie. Při výpočtu optimálních parametrů nezávislých PID regulátorů je třeba brát v úvahu přítomnost zpoždění při konverzi zobecněných korekčních sil na točivé momenty motorů, které pohybují systémem (obr. 3 blok 6).

V bloku 4 na (obr. 2) se vypočítávají parametry PID regulátoru ve výchozích zobecněných souřadnicích pomocí inverzní transformace zobecněných souřadnic a zobecněných sil popisujících pohyby systému ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice: P=CWP_wW^_l, I=CWlwW^_l a D=CWDwW^_1. Matice P, I a D jsou nediagonální, tj. provádí se řízení na základě kompletního stavu systému (full statě control).

Jak je znázorněno na blokovém schématu obr. 3 (blok 6), PID regulátor převede odchylku mezi požadovanými (p^desa aktuálními <p^cl hodnotami v zobecněných souřadnicích na korektivní zobecnene sily T .

Hlavní výhodou nezávislého řízení pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice, v porovnání s nezávislým řízením jednotlivých kloubních úhlů, spočívá v tom, že při časových zpožděních ve zpětnovazebně regulační smyčce větších než cca 30 ms je oblast stability regulace v prostoru parametrů regulátoru výrazně větší a současně je stále možná stabilní regulace i při výrazně vyšších zpožděních ve zpětnovazební regulační smyčce. To je znázorněno na obr. 4, který zobrazuje hodnoty Lyapunova ukazatele pro převrácené dvojkyvadlo (kyvadlo s dalším otočným spojením uprostřed), jehož mechanické vlastnosti odpovídají modelu lidského těla, jehož segmenty se otáčejí v sagitální rovině kolem kotníků a kyčelních kloubů. Pohyby kyvadla jsou řízeny PID-regulátorem s časovým zpožděním jednak nezávisle, jen na základě kloubních úhlů (plná čára) a potom s využitím metody řízení pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice (přerušovaná čára). Optimální hodnoty parametrů regulátoru pro každou hodnotu doby zpoždění jsou vybrány tak, že maximalizují absolutní hodnotu Lyapunova ukazatele. Časové zpoždění je způsobené rychlostí konverze zobecněných sil na výstupu z regulátoru na točivé momenty uvádějící systém do pohybu.

Na obrázku č. 4 je ukázáno, že při nezávislém řízení pomocí pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice jsou Lyapunovovy exponenty v absolutní hodnotě výrazně vyšší (tedy regulace je stabilnější) než pro nezávislou regulaci kloubních úhlů.

-4CZ 307125 B6

Současně je stabilní řízení pomocí pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice je stále možné až do zpoždění 200 ms včetně, zatímco při regulaci pomocí kloubních úhlů maximálně do zpoždění 150 ms. Další výhodou je, že vzhledem k neexistenci linearizované dynamické interakce mezi pohyby ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice, a to i při relativně nízkých hodnotách parametrů zpětnovazebního regulátoru, jsou pohyby mechanického systému monotónní, hladké a předvídatelné, stejně tak jak je to pozorováno při pohybech člověka.

Podstata řešení tedy spočívá v použití způsobu pro nezávislé linearizované dynamické řízení pohybu antropomorfního robotického systému s mnoha klouby s pohyby ve směru charakteristických vektorů linearizované Lagrangeovy pohybové rovnice. Unikátní vlastností pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice, které při studiu lidského pohybu pozorovali (Alexandrov a kol. 2001a, b, 2005, 2011; Massion a kol, 2004), a nazvali je charakteristickými pohyby“, je jejich dynamická nezávislost. Proto nezávislé řízení pohybů pomocí systému se zpětnou vazbou umožňuje rozdělit související linearizované dynamické rovnice na systém nezávislých skalárních dynamických rovnic ve formě pohybových rovnic pro normální nebo převrácené kyvadlo, řízenými nezávislými zpětnovazebními regulátory.

Využití nezávislého řízení pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice umožňuje zvětšit oblast stability v prostoru parametrů zpětnovazební regulace zejména při přítomnosti časového zpoždění. To také zajišťuje plavnost a monotónnost pohybu při hodnotách těchto parametrů, srovnatelných s velikostí parametrů použitelných při modelování ovládání pohybu pomocí zpětnovazebně regulace u člověka.

Pro účely této přihlášky se blokem nastavení parametrů BNP rozumí obecně prostředek s výpočetními schopnostmi, např. řídící počítač. Antropomorfní zařízení pak představuje například robot, manipulátor, exoskelet apod. Dále uvádíme, že v případě zmínky o „Lagrangeových rovnicích“ se jedná o Lagrangeovy rovnice II. typu.

Objasnění výkresů

Na obrázku 1 je znázorněno obecné schéma časování nastavování adaptivního PID regulátoru, kde je schematicky, čárkovanou čarou, znázorněna trajektorie pohybu v prostoru zobecněných koordinát - vektor φ, přičemž A_(>A₂ A_n.|, A_njsou body na trajektorii, kde dochází k novému nastavení adaptivního PID regulátoru a BNP označuje blok výpočtu nastavení parametrů adaptivního PID regulátoru.

Obrázek 2 pak představuje schéma fungování bloku BNP nastavení parametrů PID regulátoru, kde vztahová značka 1 představuje blok pro lineární aproximace Lagrangeovy pohybové rovnice v daném bodu, vztahová značka 2 pak označuje blok pro výpočet charakteristických vektorů linearizované Lagrangeovy rovnice, vztahová značka 3 pak znázorňuje blok pro výpočet optimálních PID parametrů pro řízení pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované Lagrangeovy rovnice zajišťující optimální řízení pohybu ve směru charakteristického vektoru a vztahová značka 4 označuje blok pro výpočet optimálních PID parametrů pro řízení pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované Lagrangeovy rovnice ve výchozích zobecněných souřadnicích.

Na obrázku 3 je pak znázorněno schéma funkce adaptivního PID regulátoru jehož parametry P, I, D adaptuje blok BNP nastavení parametrů PID regulátoru - v bloku označeném vztahovou značkou 5 dochází k převodu odchylky mezi požadovanými a aktuálními cp^des a rp^cur hodnotami v zobecněných souřadnicích na korektivní zobecněné síly T^C011. Zobecněné síly jsou v dalším bloku označeném vztahovou značkou 6 transformovány na síly (momenty) aktuátorů (zde točivé momenty motorů) antropomorfního zařízení 7 a vztahová značka 8 označuje parametry užitého antropomorfního zařízení.

-5CZ 307125 B6

Obrázek 4 představuje rozdíl závislosti Lyapunova exponentu na časovém zpoždění při řízení mechanického zařízení nezávislými PID regulátory úhlů a nezávislými PID regulátory pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované Lagrangeovy rovnice - v grafu ukázané závislosti Lyapunova exponentu na časovém zpoždění vzniklým konverzí zobecněných sil na výstupu z regulátoru na točivé momenty motorů byly zjištěny pro obrácené dvoj-kyvadlo (vztyčené kyvadlo, jehož závěs je tvořen dvěma rameny spojenými uprostřed další osou) řízeného nezávislými PID regulátory úhlů (plná čára) a nezávislými PID regulátory pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované Lagrangeovy rovnice (čárkovaná čára). Z grafu je patrné, že při nezávislém řízení pomocí charakteristických pohybů jsou Lyapunovovy exponenty v absolutní hodnotě výrazně vyšší (tedy regulace je stabilnější) než pro nezávislou regulaci kloubních úhlů. Současně při tom stabilní řízení pomocí charakteristických pohybů je možné při zpoždění až 200 ms, zatímco při regulaci pomocí kloubních úhlů maximálně při zpoždění 150 ms.

Příklad uskutečnění vynálezu

Adaptivní PID regulátor 5 řízený způsobem pro adaptaci parametrů popsaným v této přihlášce je vhodný v robotíce zejména k řízení pohybu manipulátorů a robotů, které interagují bezprostředně s tělem člověka, tak, aby tato interakce byla vnímána člověkem jako přirozená a komfortní, speciálně zejména pak k řízení exoskeletů, které jsou vhodné například pro rehabilitaci nebo je lze využít při gerontologícké péčí, např. se jedná o různá robotická asistenční zařízení apod.

Na obr 3. je schematicky znázorněno, jak lze adaptivní PID regulátor 5 použít křížení výše uvedených zařízení. Blok BNP pro nastavení parametrů PID regulátoru 5, je složen z bloku 1 pro lineární aproximace Lagrangeovy pohybové rovnice v daném bodu, který je propojen s blokem 2 pro výpočet charakteristických vektorů linearizované Lagrangeovy rovnice, a dále s blokem 3 pro výpočet optimálních PID parametrů zajišťující optimální řízení pohybu ve směru charakteristických vektorů linearizované Lagrangeovy rovnice a ten je propojen s blokem 4 pro výpočet optimálních PID parametrů řízení pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice ve výchozích zobecněných souřadnicích.

Blok BNP pro nastavení parametrů PID regulátoru 5 je propojen s adaptivním PID regulátorem 5, který převádí odchylku mezi požadovanými a aktuálními cp^des a <p^cur hodnotami v zobecněných souřadnicích na korektivní zobecněné síly T^con. Adaptivní PID regulátor 5 je propojen s blokem 6 pro transformaci zobecněných sil, kde dochází k přeměně sil aktuátorů na točivý moment motorů, které pohání antropomorfní zařízení 7. Antropomorfní zařízení 7 je propojeno s blokem BNP pro nastavení parametrů, přičemž do tohoto bloku vstupují ještě parametry 8 antropomorfního zařízení 7.

Blok BNP je zde obecně realizován nějakým prostředkem s výpočetními schopnostmi, např. řídícím počítačem. Obecně lze říci, že přihlašovaná metoda adaptace parametrů regulátoru je vhodná pro řízení procesů a technických zařízení, které lze modelovat pomocí linearizované dynamické rovnice ve tvaru ΰ(φ)(φ) — d(rp) = T^con, kde d je vektor, který je funkcí zobecněných koordinát ve kterých se vypočítávají řídící veličiny T^c realizované pomocí PID regulátoru s časovým zpožděním.

Průmyslová využitelnost

Použití rozsahu regulačních parametrů u robotů, manipulátorů a exoskeletů, který se shoduje s fyziologickým rozsahem používaným v pohybových stereotypech člověka, poskytuje komfort, předvídatelnost a bezpečnost při interakci člověka s robotickými systémy. Jmenovitě je to způsob nezávislého řízení pohybů ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice s parametry řízení v rozsahu odpovídajícím řízení pohybu pomocí zpětnovazební

-6CZ 307125 B6 smyčky u lidí, včetně zpoždění v této smyčce, z čehož vyplývá, že zařízení je využitelné v robotíce zejména k navrhování exoskeletů, které jsou vhodné například pro rehabilitace nebo je lze využít při gerontologické péči např. různá asistenční zařízení apod.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Řízení pohybu antropomorfních robotických systémů s mnoha stupni volnosti na základě principů nezávislého řízení pohybu ve směru charakteristických vektorů linearizované dynamické Lagrangeovy rovnice, vyznačující se tím, že je založeno na pohybových stereotypech lidí, přičemž komfortní interakce končetiny člověka a antropomorfního zařízení (7) je dosaženo užitím regulace řízení v charakteristických pohybech systémů antropomorfního zařízení (7) za použití adaptivního PID regulátoru (5), který je řízen blokem (BNP) pro nastavení parametrů (8) antropomorfního zařízení (7).
2. Antropomorfní robotický systém s mnoha stupni volnosti dle nároku 1, vyznačující se tím, že blok (BNP) pro nastavení parametrů (8) antropomorfního zařízení (7) je složen z bloku (1) pro lineární aproximace Lagrangeovy pohybové rovnice, II. typu, v daném bodu nastavení se souřadnicemi φ₀_ který je propojen s blokem (2) pro výpočet charakteristických vektorů linearizované Lagrangeovy rovnice II. typu, a dále s blokem (3) pro výpočet PID parametrů v prostoru charakteristických pohybů zajišťující optimální řízení pohybu podél charakteristického vektoru a ten je propojen s blokem (4) pro výpočet optimálních parametrů PID parametrů v prostoru charakteristických pohybů ve výchozích zobecněných souřadnicích.
3. Antropomorfní robotický systém s mnoha stupni volnosti dle nároku 1, vyznačující se tím, že blok (BNP) pro nastavení parametrů (8) antropomorfního zařízení (7) je propojen s adaptivním PID regulátorem (5), který převádí odchylku mezi požadovanými a aktuálními (p^desa tp^cur hodnotami v zobecněných souřadnicích na korektivní zobecněné síly T^con, přičemž adaptivní PID regulátor (5) je propojen s blokem (6) pro transformaci zobecněných sil, tedy pro přeměnu sil aktuátorů na točivý moment motorů pro pohon antropomorfního zařízení (7), které je dále propojeno s blokem (BNP) pro nastavení parametrů (8) antropomorfního zařízení, přičemž do tohoto bloku (BNP) pro nastavení parametrů (8) antroporfního zařízení (7) vstupují ještě parametry (8) antropomorfního zařízení (7).