DE102004045805A1 - Stability control of a two legged robot is provided by controlling the speed of the inertial rotor of a gyroscopic actuator - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Stabilisierung zweibeiniger Roboter.The The present invention relates to an apparatus and a method for stabilizing bipedal robots.
Unter zweibeinigen Robotern werden im Sinne dieser Anmeldung Roboter verstanden, die über zwei Beine verfügen and denen sich jeweils ein Fuß befindet, wobei die Fortbewegung des Roboters im wesentlichen durch die Füße vorangetrieben wird.Under Two-legged robots are understood as meaning robots in the sense of this application. the over two Legs have each of which has a foot, wherein the movement of the robot driven substantially by the feet becomes.
Weltweit
existieren bereits einige solcher Roboter wie die folgende beispielhafte
Aufzählung
zeigt:
Honda Asimo, Japan
Sony SDR-4X, Japan
H7,
Universität
Tokio, Japan
HRP-2P AIST Kawada, Japan
Silf-H2, K. Ito,
Japan
3-D passive dynamic walker Cornell Univ., USA
Johnny,
Universität
München,
DeutschlandThere are already some such robots worldwide, as the following list of examples shows:
Honda Asimo, Japan
Sony SDR-4X, Japan
H7, University of Tokyo, Japan
HRP-2P AIST Kawada, Japan
Silf-H2, K. Ito, Japan
3-D passive dynamic walker Cornell Univ., USA
Johnny, University of Munich, Germany
Ein wesentliches Problem bei der Steuerung zweibeiniger Roboter ist das Balancieren des Roboters auf den Beinen. Dabei müssen sowohl die auftretenden Gewichtskräfte als auch die auftretenden Drehmomente berücksichtigt werden. So befindet sich beispielsweise beim Laufen fast ständig ein Fuß in der Luft. Aber auch die Bewegung eines oder beider Arme führt in der Regel zur Verschiebung des Schwerpunkts sowie zu Drehmomenten.One essential problem in the control of bipedal robots is balancing the robot on the legs. It must be both the occurring weight forces as well as the occurring torques are taken into account. This is how it is For example, when walking almost constantly a foot in the air. But also the Movement of one or both arms usually leads to displacement of center of gravity and torques.
Als ein Standardverfahren zur Stabilisierung zweibeiniger Roboter hat sich das Zero-Moment-Punkt-Verfahren (ZMP) herauskristallisiert. Mit Hilfe des ZMP kann eine hinreichende Bedingung für das Stehenbleiben des Roboters wie folgt angegeben werden.When a standard method for stabilizing biped robots has the Zero-Moment-Point-Method (ZMP) emerges. With the help of the ZMP can be a sufficient condition for stopping of the robot can be specified as follows.
Im
weiteren wird ein Roboter angenommen, der über Fußgelenke verfügt und bei
dem zudem ein Fuß immer
auf dem Boden steht. Am aufgesetzten Fuß heben sich die Schwerkraft
des Fußgelenks
und die Kraft auf das Fußgelenk
auf der einen Seite und die Zwangskräfte des Bodens auf der anderen
Seite auf:
Zusätzlich müssen die
Drehmomente, die vom Roboter aus auf den Fuß wirken durch entsprechende
Drehmomente der Zwangskräfte
des Bodens wieder aufgehoben werden. Die vom Roboter ausgeübten Drehmomente
ergeben sich zu:
Der
Roboter bleibt dann stehen, wenn diese Drehmomente durch die aus
den Zwangskräften
resultierenden Kräfte
an einem bestimmten Aufpunkt kompensiert werden können. Dieser
Aufpunkt muss sich dazu unter der Fußfläche befinden. Die z-Komponente des Gesamtdrehmoments
wird durch die Reibung des Bodens kompensiert. Dabei wird angenommen,
daß die
Reibung zwischen Fuß und
Boden immer hinreichend groß ist.
Für die
horizontalen Komponenten muß die
folgende Gleichung erfüllt sein:
Dazu ist in "Real time Humanoid Motion Generation through ZMP Manipulation Based on Pendulum Control" von Tomomichi Sugihara, Hirochika Inoue, IEEE Intl. Conference on Robotics and Automation, (ICRA 2002), Seiten 1404–1409. eine Beschreibung publiziert worden.To is in "real time Humanoid Motion Generation Through ZMP Manipulation Based on Pendulum Control "by Tomomichi Sugihara, Hirochika Inoue, IEEE Intl. Conference on Robotics and Automation, (ICRA 2002), pages 1404-1409. a description published Service.
Die Firma Honda, ein renommierter Entwickler von humanoiden Robotern, verwendet neben dem ZMP noch zwei weitere Methoden zur Stabilisierung, "Ground Reaction Force Control" und "Foot Landing Position Control" genannt werden. Die Idee ist dabei sowohl den ZMP als auch das sogenannte "Centre of Actual Total Ground Reaction Force" (C-ATGRF) zu bestimmen, um ein Kippmoment von Null herzustellen. Die C-ATGRF ist dabei genau der Punkt auf dem Boden, bei der die "Actual Total Reaction Force" (ATGRF) Null wird. Dieses Verfahren wird in " The development of Honda Humanoid Robot" von K.H. Hirai et al. in Proceedings of the Intl. Conf. On Robotics and Automation (ICRA-98) beschrieben.The Company Honda, a renowned developer of humanoid robots, In addition to the ZMP, there are two other stabilization methods, "Ground Reaction Force Control "and" Foot Landing Position Called control become. The idea is both the ZMP and the so-called "Center of Actual Total Ground Reaction Force "(C-ATGRF) to determine a zero tilting moment. The C-ATGRF is exactly the point on the ground where the "Actual Total Reaction Force "(ATGRF) zero becomes. This procedure is described in "The Development of Honda Humanoid Robot "by K. H. Hirai et al., in Proceedings of the Intl. Conf. On Robotics and Automation (ICRA-98).
Weitere
mechanische Modifikationen an zur Verbesserung des Laufvorgangs
und Balancierens von Robotern sind publiziert worden. Inbesondere die
Entwicklung von so genannten passiven dynamischen Gehern ist dabei
zu erwähnen.
Dabei handelt es sich um rein mechanische Geräte ohne elektrische Steuerungsmechanismen,
die, wenn sie in der richtigen Weise gestartet werden, Rampen mit
einer vorgegeben Neigung hinuntergehen. Der Gang ähnelt frappierend
dem menschlichen Laufen (siehe auch "A Three-Dimensional Passive- Dynamic Walking
Robot with Two Legs and Knees" von
S. H. Collins et al., Intl. J. of Robotics Research, Seiten 607–614). Weiterhin
wurden als Verbesserung an den Roboterplattformen weiche federgedämpfte Aktuatoren
mit einstellbarer Federkonstante eingeführt (siehe dazu "Active / Passive
Hybrid Walking by the Biped Robot Tokai Robo Habilis 1
Die oben geschilderten Vorrichtungen und Verfahren sind relativ kompliziert und benötigen einen hohen Steuerungs- und Regelaufwand. So erfordert die bis jetzt angewandte Technologie komplizierte Algorithmen fuer das Balancieren während der verschiedenen Bewegungssequenzen, es sei denn die Balance ist wie bei den passiven dynamischen Walkern auf sehr spezielle Umgebungen begrenzt (wie etwa bestimmte Steigungen, oder Oberflächen). Dabei muß bisher der Zustand jedes einzelnen Körpergelenks beachtet werden. Insbesondere kann die Haltung und Ausrichtung des Roboterrumpfes nicht unabhängig von dem Zustand der Gliedmassen kontrolliert werden.The The above-described devices and methods are relatively complicated and need a high control effort. So requires the applied so far Technology complicated algorithms for balancing during the different motion sequences, unless the balance is like in the passive dynamic walkers on very special environments limited (such as certain gradients, or surfaces). there so far the condition of every single body joint get noticed. In particular, the attitude and orientation of the Robot hull not independent be controlled by the condition of the limbs.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Stabilisierung zweibeiniger Roboter anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet.It It is therefore an object of the present invention to provide a device and to provide a method for stabilizing bipedal robots, which at least partially overcomes the disadvantages of the prior art.
Diese Aufgabe wird gelöst von einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 9. Weitere Vorteile, Aspekte und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.These Task is solved from a device according to claim 1 and a method according to claim 9. Other advantages, aspects and details of the present invention emerge from the subclaims, the description and the attached drawings.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines zweibeinigen Roboters bereitgestellt, die die einen steuerbaren Aktuator, eine Steuerung für den Aktuator, zumindest einen mit der Steuerung verbundenen ersten Sensor zur Erfassung der Lage des Roboterkörpersund zumindest einen mit der Steuerung verbundenen zweiten Sensor zur Erfassung des Zustandes des Aktuators umfaßt, wobei der Aktuator durch die Steuerung in Abhängigkeit der vom ersten Sensor erfaßten Lage des Roboters und in Abhängigkeit des vom zweiten Sensor erfaßten Zustandes des Aktuators so steuerbar ist, daß er durch seine Trägheit auf den Roboter wirkt und diesen stabilisiert.According to one embodiment The present invention provides a device for stabilization a bipedal robot that provides the one controllable Actuator, a controller for the actuator, at least one connected to the first control Sensor for detecting the position of the robot body and at least one with the control connected second sensor for detecting the state of the actuator comprises wherein the actuator is controlled by the controller in dependence on the first sensor detected Position of the robot and in dependence of the detected state of the second sensor of the actuator is controllable so that it by its inertia the robot acts and stabilizes it.
Durch die Stabilisierung des Roboters mittels Trägheitssteuerung wird das Balancieren des Roboters erleichtert. Weiterhin ist erfordert die vorliegende Steuerung nicht die genaue Kenntnis des Zustandes aller Gelenke sondern man kommt mit einer sensorischen Messung der Lage des Roboterkörpers aus. Weiterhin läßt sich die Haltung des Rumpfes direkt steuern, ohne jedoch auf eine direkte Ansteuerung von elektrischen Gelenken (Elektromotoren) angewiesen zu sein. Es reicht lediglich die Steuerung des Aktuators aus, so daß somit auch eine komplexe Koordinierung der verschiedenen Ansteuerungsvorgänge für die Gelenke entfällt. Die Ansteuerung des Aktuators kann darüberhinaus im Rahmen des ZMP-Verfahrens erfolgen.By the stabilization of the robot by means of inertial control will be balancing of the robot. Furthermore, the present control is required not the exact knowledge of the condition of all joints but one comes with a sensory measurement of the position of the robot body. Farther let yourself control the posture of the hull directly, without, however, on a direct Control of electrical joints (electric motors) instructed to be. It is sufficient only the control of the actuator, so that thus also a complex coordination of the various drive processes for the joints eliminated. The activation of the actuator can moreover in the context of the ZMP method respectively.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt der Aktuator einen schweren Kreisel und einen Motor, wobei der Motor zur Beeinflussung der Rotationsgeschwindigkeit des Kreisels dient. Auf diese Weise wird die Trägheitssteuerung auf einfache Weise verwirklicht. Dabei verbessert der Kreisel die Gier- und Rollstabilität des Roboters durch seine schnelle Rotation, so daß die Lage der Rotationsachse stabilisiert wird. Die Neigungsstabilität des Roboterkörpers wird durch die Geschwindigkeitssteuerung des Kreisels erreicht. Dabei führen Beschleunigung und Abbremsung des Kreisels zu Momenten, die eine Lageänderungen des Roboterkörpers bewirken.According to one another embodiment of the present invention the actuator is a heavy spinning top and a motor, with the engine serves to influence the rotational speed of the gyroscope. In this way, the inertia control realized in a simple way. The gyro improves the Yaw and roll stability of Robot by its fast rotation, so that the position of the axis of rotation is stabilized. The pitch stability of the robot body is achieved by the speed control of the gyroscope. there to lead Acceleration and deceleration of the gyro to moments that one Changes in the location of the robot body cause.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Stabilisierung eines zweibeinigen Roboters bereitgestellt, daß die Schritte Erfassen der Lage des Roboters, Erfassen des Zustands des Aktuators und Steuern des Aktuators in Abhängigkeit der erfaßten Lage des Roboters und in Abhängigkeit des erfaßten Zustandes, so daß der Aktuator durch seine Trägheit auf den Roboter wirkt und diesen stabilisiert, umfaßt.According to one Another aspect of the present invention is a method for Stabilization of a biped robot provided the steps Detecting the position of the robot, detecting the state of the actuator and controlling the actuator in dependence the captured Position of the robot and in dependence of the detected State, so that the Actuator by its inertia acts on and stabilizes the robot.
Durch dieses Verfahren wird eine effektive Trägheitsstabilisierung des Roboters erreicht, die unabhängig von der Steuerung anderer Teile des Roboterkörpers arbeitet.By This method becomes an effective inertial stabilization of the robot achieved independently works by controlling other parts of the robot body.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei zeigen:in the The following is the present invention with reference to the accompanying drawings explained in detail. Showing:
Der
Aktuator ist mit einer Steuerung
Im
Betrieb erhält
die Steuerung
Die
Die
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102004045805A DE102004045805A1 (en) | 2004-09-22 | 2004-09-22 | Stability control of a two legged robot is provided by controlling the speed of the inertial rotor of a gyroscopic actuator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102004045805A DE102004045805A1 (en) | 2004-09-22 | 2004-09-22 | Stability control of a two legged robot is provided by controlling the speed of the inertial rotor of a gyroscopic actuator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102004045805A1 true DE102004045805A1 (en) | 2006-04-13 |
Family
ID=36088620
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102004045805A Withdrawn DE102004045805A1 (en) | 2004-09-22 | 2004-09-22 | Stability control of a two legged robot is provided by controlling the speed of the inertial rotor of a gyroscopic actuator |
Country Status (1)
Country | Link |
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