DE102013218853A1

DE102013218853A1 - Verfahren und System zum Steuern der Gangart eines Roboters

Info

Publication number: DE102013218853A1
Application number: DE102013218853.6A
Authority: DE
Inventors: Seok Won Lee; Woo Sung Yang
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: CN103895020B; US20140184128A1; US20140188280A1; CN103895020A; US8994312B2; JP6587785B2; KR101428328B1; DE102013218853B4; KR20140085702A; JP2014128870A

Abstract

Ein Verfahren umfasst ein Bestimmen, ob der Roboter geht, und ein Bestimmen einer Richtung, in der der Roboter geht; ein Messen einer Zeitdauer, die eine Sohle eines Fußes des Roboters benötigt, um auf einen Boden zu treten; ein Berechnen einer imaginären Reaktionskraft, die auf die Sohle aufgebracht wird, unter Verwendung einer trigonometrischen Funktion, die als eine Periode die gemessene Zeitdauer aufweist, die die Sohle benötigt, um auf den Boden zu treten; und ein Anwenden der berechneten imaginären Reaktionskraft auf eine transponierte Jacobi-Matrix und ein Umwandeln der imaginären Reaktionskraft in ein Antriebsmoment für eine untere Gelenkverbindung der Extremitäten des Roboters.

Description

HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
1. Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und System zum Steuern der Gangart eines tragbaren Roboters auf der Grundlage einer Gehgeschwindigkeit eines Trägers und der beabsichtigten Gangart des Trägers.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Gangart-Regelalgorithmus zum Verringern einer Last eines tragbaren Laufroboters. Wenn ein Träger, der einen Roboter trägt, geht, falls der Roboter die beabsichtigte Gangart des Trägers nicht korrekt widerspiegelt, wird der Träger eine Last von dem Roboter spüren und die Last wird sich als Instabilität äußern, während der Träger geht.
Um die obigen Probleme zu überwinden, stellt die vorliegende Offenbarung einen Regelalgorithmus bereit, der eine Geschwindigkeit bestimmt, mit der der Träger beabsichtigt zu gehen, und der eine imaginäre Reaktionskraft bereitstellt, die der beabsichtigten Bewegung eines Fußes entspricht, der geschwenkt wird, wodurch die durch den Roboter erzeugte Last verringert wird.
Bestehende tragbare Roboter verwenden hauptsächlich Kraft-/Drehmoment-Sensoren, um die beabsichtigte Gangart eines Trägers zu bestimmen. Jedoch erfordert ein solches Verfahren zu implementierende Maßnahmen, die Probleme lösen, die durch ein ratterndes Phänomen und eine Geräuschentwicklung des Sensors erzeugt werden, wenn der Träger geht. Ferner ist der Sensor sehr kostspielig und es sind eine zusätzliche Verstärkerschaltung und Signalverarbeitungsplatine erforderlich.
Daher kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die Verwendung des Sensors minimiert werden. Zum Beispiel kann ein Ein-Aus-Schalter, der vergleichsweise preiswert ist, an der Sohle von jedem Fuß des Roboters vorgesehen sein, um die beabsichtigte Gangart des Trägers zu bestimmen.
Ein repräsentatives Beispiel der herkömmlichen Technik wurde in dem koreanischen Patent Nr. 10-1179159 B1 mit dem Titel ”Foot sensor apparatus for wearable robot and method for determining intension of user using the same” vorgeschlagen. Diese herkömmliche Vorrichtung umfasst einen ersten Sensor, der an der Oberseite von jedem Fuß des tragbaren Roboters vorgesehen ist, wo die Zehen des Fußes des Trägers angeordnet sind, einen zweiten Sensor, der an der Oberseite von jedem Fuß des Roboters vorgesehen ist, wo der Ballen des Fußes des Trägers angeordnet ist, einen dritten Sensor, der an der Oberseite von jedem Fuß des Roboters vorgesehen ist, wo die Ferse des Fußes des Trägers angeordnet ist, und eine Steuerung, die die beabsichtigte Gangart des Trägers auf der Grundlage der Signale von den ersten, zweiten und dritten Sensoren bestimmt.
Wenn eine Last auf den ersten, zweiten und dritten Sensor aufgebracht wird, wird der entsprechende Sensor eingeschaltet; und wenn darauf keine Last ausgebracht wird, wird er ausgeschaltet. Wenn die ersten, zweiten und dritten Sensoren jeweils ausgeschaltet sind, bestimmt die Steuerung, dass sich der Fuß des Träger sind der Luft befindet. Wenn der erste Sensor eingeschaltet ist, aber jeder der zweiten und dritten Sensoren ausgeschaltet ist, bestimmt die Steuerung, dass sich der Fuß in einem Plantarflexionszustand befindet. Wenn jeder der ersten und zweiten Sensoren ausgeschaltet ist und der dritte Sensor eingeschaltet ist, bestimmt die Steuerung, dass sich der Fuß in einem Fersenaufsetzzustand befindet. Wenn jeder der ersten, zweiten und dritten Sensoren eingeschaltet ist, bestimmt die Steuerung, dass der gesamte Fuß des Trägers mit dem Fuß des Roboters in Kontakt gebracht ist und dass der Träger auf dem Boden steht.
Bei der Verwendung des oberhalb beschriebenen herkömmlichen Verfahrens ist es jedoch sehr schwierig, die beabsichtigte Gangart des Trägers genau zu bestimmen und den Roboter aktiv und variabel zu steuern. Darüber hinaus ist die Anzahl der Sensoren relativ groß, wodurch sich die Produktionskosten erhöhen.
Es versteht sich, dass die vorhergehende Beschreibung lediglich dazu vorgesehen ist, um die vorliegende Offenbarung besser zu verstehen, und bedeutet nicht, dass die vorliegende Offenbarung in den Bereich des Standes der Technik fällt.

(Patent-Dokument 1) KR 10-1179159 B1

ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren und System zum Steuern der Gangart eines tragbaren Roboters auf der Grundlage einer Gehgeschwindigkeit und einer beabsichtigten Gangart eines Trägers bereitzustellen.
Um die obige Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Offenbarung gemäß einer Ausgestaltung ein Verfahren zum Steuern der Gangart eines Roboters bereit, umfassend: Bestimmen, ob der Roboter geht, und, wenn es bestimmt wird, dass er geht, Bestimmen einer Richtung, in der der Roboter geht; Messen einer Zeitdauer, die eine Sohle eines Fußes des Roboters benötigt, um auf einen Boden zu treten; Berechnen einer imaginären Reaktionskraft, die auf die Sohle aufgebracht wird, unter Verwendung einer trigonometrischen Funktion, die als eine Periode die gemessene Zeitdauer aufweist, die eine Sohle eines Fußes des Roboters benötigt, um auf einen Boden zu treten; und Anwenden der berechneten imaginären Reaktionskraft auf eine transponierte Jacobi-Matrix und Umwandeln der imaginären Reaktionskraft in ein Antriebsmoment für eine untere Gelenkverbindung der Extremitäten des Roboters.
Das Umwandeln kann ein Überprüfen umfassen, ob die Sohle des Fußes des Roboters von dem Boden hochgehoben worden ist.
Das Überprüfen kann ein Aufbringen des Antriebsmoments auf die mit der Sohle des Fußes des Roboters verbundene untere Gelenkverbindung der Extremitäten zu einem Zeitpunkt umfassen, wenn die Sohle von dem Boden hochgehoben worden ist.
Das Bestimmen kann ein Bestimmen, ob der Roboter geht, unter Verwendung eines Oberflächenkontakt-Sensors umfassen, der an der Sohle des Fußes des Roboters vorgesehen ist, und das Messen kann ein Messen der Zeitdauer, die die Sohle des Fußes des Roboters benötigt, um auf den Boden zu treten, unter Verwendung des Oberflächenkontakt-Sensors umfassen.
Das Berechnen kann ein Multiplizieren der trigonometrischen Funktion mit einem vorgegebenen Größenwert umfassen, um die imaginäre Reaktionskraft zu berechnen.
Das Berechnen kann ein Ändern eines Vorzeichens einer x-Achsen-Komponente der imaginären Reaktionskraft in Abhängigkeit von der Richtung umfassen, in der der Roboter geht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Offenbarung ein System zum Steuern der Gangart eines Roboters bereit, umfassend: einen Oberflächenkontakt-Sensor, der an einer Sohle eines Fußes des Roboters vorgesehen ist; und eine Steuereinheit, die einen Gehzustand und eine Richtung des Roboters und eine Zeitdauer, die die Sohle benötigt, um auf einen Boden zu treten, unter Verwendung des Oberflächenkontakt-Sensors misst, wobei die Steuereinheit eine imaginäre Reaktionskraft, die auf die Sohle aufgebracht wird, unter Verwendung einer trigonometrischen Funktion berechnet, die die gemessene Zeitdauer, die zum Treten auf den Boden benötigt wird, als eine Periode aufweist, und die berechnete imaginäre Reaktionskraft auf eine transponierte Jacobi-Matrix anwendet, um die imaginäre Reaktionskraft in ein Drehmoment zum Antreiben einer unteren Gelenkverbindung der Extremitäten des Roboters umzuwandeln.
Der Oberflächenkontakt-Sensor kann eine Mehrzahl von Bandsensoren umfassen, die an der Sohle des Fußes des Roboters an voneinander beabstandeten Positionen vorgesehen sind.
Wie oben beschrieben, stellt ein Verfahren und System zum Steuern der Gangart eines Roboters gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Regelalgorithmus bereit, der eine Last auf der Grundlage einer imaginären Reaktionskraft unter Verwendung von z. B. Ein-/Aus-Schaltern eines Fuß-Moduls verringern kann, so dass ein kostengünstiger Sensor verwendet werden kann, ohne dass ein kostspieliger F/T-Sensor benötigt wird. Dadurch können die Produktionskosten verringert werden. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung die beabsichtigte Gangart des Trägers genauer erfassen und den Roboter präziser steuern.
Des Weiteren kann ein Verfahren, in dem die Gehgeschwindigkeit des Trägers unter Verwendung eines digitalen Stromes der Ein-/Aus-Schalter berechnet werden kann, das Problem des herkömmlichen Verfahrens zum Erfassen der Absicht vermeiden, das eine geringe Zuverlässigkeit aufgrund des Ratterns und der Geräusche des F/T-Sensors aufweist. Demzufolge kann die vorliegende Offenbarung dem Träger ein komfortables Tragegefühl bieten.
Darüber hinaus, weil die vorliegende Offenbarung auf einer imaginären Reaktionskraft basiert, sind eine zusätzliche Schaltung/Platine und ein Signalverarbeitungsalgorithmus, die verwendet werden, wenn ein Sensor die Reaktionskraft tatsächlich misst, nicht erforderlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Ansicht, die Oberflächenkontakt-Sensoren, die in einem Verfahren zum Steuern der Gangart eines Roboters verwendet werden, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 eine Ansicht, die eine Konstruktion eines Systems zum Steuern der Gangart eines Roboters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Steuern der Gangart des Roboters gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
4 einen Graph, der eine trigonometrische Funktion des Verfahrens zum Steuern der Gangart des Roboters gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTENAUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird ein Verfahren und System zum Steuern der Gangart eines Roboters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 eine Ansicht, die Oberflächenkontakt-Sensoren, die in einem Verfahren zum Steuern der Gangart eines Roboters verwendet werden, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt. 2 eine Ansicht, die eine Konstruktion eines Systems zum Steuern der Gangart eines Roboters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt. 3 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Steuern der Gangart des Roboters gemäß der vorliegenden Offenbarung. 4 einen Graph, der eine trigonometrische Funktion des Verfahrens zum Steuern der Gangart des Roboters gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
3 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Steuern der Gangart des Roboters gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren zum Steuern der Gangart eines Roboters umfasst einen Bestimmungsschritt S100 zum Bestimmen, ob sich der Roboter in einem Gehzustand befindet, und Bestimmen einer Richtung, in der der Roboter geht; einen Messschritt S200 zum Messen einer Zeitdauer, die jeder Fuß benötigt, um auf den Boden zu treten; einen Berechnungsschritt S300 zum Berechnen einer auf die Sohle aufgebrachten imaginären Reaktionskraft unter Verwendung einer trigonometrischen Funktion mit der gemessenen Zeitdauer als eine Periode; und einen Umwandlungsschritt S400 zum Anwenden der berechneten imaginären Reaktionskraft auf eine transponierte Jacobi-Matrix und Umwandeln der berechneten imaginären Reaktionskraft in ein Antriebsmoment für eine untere Gelenkverbindung der Extremitäten des Roboters.
Ein repräsentatives Beispiel des Roboters der vorliegenden Offenbarung kann ein tragbarer Roboter sein. Wenn ein Träger, der den tragbaren Roboter trägt, geht, muss sich der tragbare Roboter in einer Art und Weise bewegen, die die Absicht des Trägers korrekt widerspiegelt, so dass sich der Träger nicht unbehaglich fühlt.
Zum Beispiel, wenn der Träger seinen/ihren Fuß vor einem Schwenken des Beins von dem Boden hochhebt, muss der Roboter eine geeignete Reaktionskraft bereitstellen, um zu ermöglichen, dass der Träger seinen/ihren Fuß einfacher anheben kann. Je schneller der Träger geht, desto schneller reagiert der Roboter auf Bewegungen des Trägers und desto mehr Kraft stellt der Roboter dem Träger zur Verfügung. Falls der Roboter seinen Fuß nicht von selbst genügend anhebt, muss der Träger, der den Roboter trägt, möglicherweise das Bein des Roboters mit seiner/ihrer eigenen Kraft anheben. In diesem Fall kann sich der Träger beim Gehen mit dem Roboter unbehaglich fühlen.
In der herkömmlichen Technik wird ein Kraft-Drehmoment-Sensor verwendet, um die beabsichtigte Gangart des Trägers zu erfassen, aber dieser Sensor ist insofern problematisch, dass es sehr schwierig ist, die Bewegung des Trägers genau zu überprüfen, und er sehr teuer ist.
Um die Probleme der herkömmlichen Technik zu überwinden, beschreibt die vorliegende Offenbarung eine Konfiguration, so dass in Erwiderung auf die Gehgeschwindigkeit des Trägers der Roboter eine geeignete Reaktionskraft an das Bein bereitstellen kann, das gerade geschwenkt wird. Zu diesem Zweck wird in dem Bestimmungsschritt S100 bestimmt, ob sich der Roboter in einem Gehzustand befindet, und es wird eine Richtung bestimmt, in der der Roboter geht.
1 eine Ansicht, die Oberflächenkontakt-Sensoren, die in einem Verfahren zum Steuern der Gangart eines Roboters verwendet werden, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt. Der Bestimmungsschritt S100 und der Nessschritt S200 verwenden den Oberflächenkontakt-Sensor, der an/auf der Sohle von jedem Fuß des Roboters vorgesehen ist, um zu bestimmen, ob der Roboter geht, und, falls er geht, um die Richtung zu bestimmen, in der der Roboter geht, und um eine Zeitdauer zu messen, die jeder Fuß benötigt, um auf den Boden zu treten.
Die Oberflächenkontakt-Sensoren 110 sind an/auf der Sohle 100 von jedem Fuß des Roboters vorgesehen. Die Oberflächenkontakt-Sensoren 110 können jeweils eine Mehrzahl von Bandsensoren aufweisen, die an/auf der Sohle 100 an voneinander beabstandeten Positionen vorgesehen sind.
Zum Beispiel kann in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Oberflächenkontakt-Sensor sechs mit 1–6 beschriftete Bandsensoren umfassen, von denen jeder mit einem Ein-/Aus-Schalter ausgestattet ist. Falls die Bandsensoren nacheinander von Nummer sechs zu Nummer eins eingeschaltet werden, gibt dies an, dass der Roboter nach vorne geht. Falls die Bandsensoren nacheinander von Nummer eins zu Nummer sechs eingeschaltet werden, gibt dies an, dass der Roboter nach hinten geht. Falls sich die Bandsensoren gleichzeitig in dem eingeschalteten Zustand über einen vorgegebenen Zeitraum befinden, gibt dies an, dass sich der Roboter eher in einem stehenden Zustand als in einem gehenden Zustand befindet.
Somit können die Oberflächenkontakt-Sensoren 110, die Bandsensoren aufweisen, verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Roboter geht oder nicht, und um die Richtung zu bestimmen, in der der Roboter geht. Dadurch, wenn der Roboter geht, kann es bestimmt werden, welches Bein den Körper stützt und welches Bein geschwenkt wird.
Darüber hinaus können die Erfassungsgeschwindigkeiten der Bandsensoren verwendet werden, um eine Geschwindigkeit zu bestimmen, bei welcher die Sohle des Fußes auf den Boden tritt. Die Schrittgeschwindigkeit der Sohle kann als zentrale Messgröße zum Bestimmen der Geschwindigkeit, bei welcher der Roboter geht, verwendet werden. Wie in 1 dargestellt, wird eine Zeitdauer dt, die die Sohle auf den Boden tritt, zum Beispiel als eine Zeitdauer für den Sensor mit der Nummer eins bis zu dem Sensor mit der Nummer sechs gemessen, die nacheinander erkannt werden sollen. Diese Zeitdauer wird als eine Periode einer trigonometrischen Funktion eingegeben.
Somit verwendet der Roboter die an/auf der Sohle von jedem Fuß vorgesehenen Oberflächenkontakt-Sensoren 110, um den Bestimmungsschritt S100 zum Bestimmen, ob der Roboter geht oder nicht, und Bestimmen der Richtung, in der der Roboter geht, falls er geht, durchzuführen. Ferner kann der Roboter die Oberflächenkontakt-Sensoren 110 verwenden, um eine Geschwindigkeit zu messen, bei welcher jeder Fuß auf den Boden tritt.
Bei dem Messschritt S200 wird die Zeitdauer gemessen, die die Sohle von jedem Fuß des Roboters benötigt, um auf den Boden zu treten. Bei dem Berechnungsschritt S300 wird eine auf die Sohle aufgebrachte imaginäre Reaktionskraft unter Verwendung einer trigonometrischen Funktion mit der gemessenen Zeitdauer als eine Periode berechnet.
Dies kann als die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
(Gleichung 1]

F_impulse = k·F_mag·J(t)

Das heißt, der Roboter wird derart gesteuert, so dass, während der Roboter geht, zu dem Zeitpunkt, wenn ein Bein zu schwingen beginnt (z. B. wenn das Bein von dem Boden hochgehoben wird), die oberhalb beschriebene imaginäre Reaktionskraft die Sohle stützt und auf die Sohle in einer Richtung aufgebracht wird, um die Sohle nach oben zu drücken.
Wenn diese imaginäre Reaktionskraft auf den Roboter aufgebracht wird, weil die Kraftmenge, die der Träger zum Anheben des Beins des Roboters verwenden muss, verringert werden kann, kann der Träger das Gefühl haben, als ob er/sie normal geht.
Die imaginäre Reaktionskraft F_impulse wird durch Multiplizieren von F_mag, die die Größe einer trigonometrischen Funktion ausdrückt, mit einer proportionalen Konstante k und Reflektieren von f(t), die die ursprüngliche Form der trigonometrischen Funktion darstellt, erhalten.
Die trigonometrische Funktion f(t) kann in den folgenden verschiedenen Formen ausgedrückt werden.
[Gleichung 2]
Von den trigonometrischen Funktion, die in den oben beschriebenen Formen ausgedrückt werden, wird die am meisten geeignete Form einer trigonometrischen Funktion ausgewählt und zuvor in eine Steuerung des Roboters eingegeben. Hierbei wird die Zeitdauer, die die Sohle von jedem Fuß des Roboters benötigt, um auf den Boden zu treten, als die Periode der entsprechenden trigonometrischen Funktion verwendet. In diesem Fall kann eine der Gehgeschwindigkeit entsprechende geeignete Reaktionskraft erzeugt werden.
Zum Beispiel, falls die Gehgeschwindigkeit vergleichsweise hoch ist, ist die Zeitdauer, die die Sohle zum Treten auf den Boden benötigt, relativ kurz. In der trigonometrischen Funktion, die diese Zeitdauer als eine Periode aufweist, wird die Periode, für welche sie von dem Maximum auf Null konvergiert wird, verringert. Auf der anderen Seite, wenn die Gehgeschwindigkeit vergleichsweise langsam ist, ist die Zeitdauer, die die Sohle zum Treten auf den Boden benötigt, relativ lang. In der trigonometrischen Funktion, die diese Zeitdauer als Periode aufweist, wird die Periode, für welche sie von dem Maximum auf Null konvergiert wird, erhöht.
Daher, wenn die Gehgeschwindigkeit vergleichsweise schnell ist, wird die Reaktionskraft rasch eliminiert, nachdem sie dem Roboter zur Verfügung gestellt worden ist; und wenn die Gehgeschwindigkeit vergleichsweise langsam ist, wird die Reaktionskraft langsam eliminiert, nachdem sie dem Roboter zur Verfügung gestellt worden ist. Auf diese Weise kann die Reaktionskraft in Erwiderung auf die Absicht des Trägers bereitgestellt werden. Falls die Reaktionskraft trotz der vergleichsweise hohen Gehgeschwindigkeit langsam verringert wird, kann der Träger die Reaktionskraft zu dem Zeitpunkt, in dem der Träger seinen/ihren Fuß auf den Boden setzt, nachdem er/sie das Bein geschwenkt hat, umgekehrt empfinden.
Als Ergebnis kann sich der Träger unbehaglich fühlen. 4 einen Graph, der eine trigonometrische Funktion des Verfahrens zum Steuern der Gangart des Roboters gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, wenn die Zeitdauer, die die Sohle benötigt, um auf den Boden zu treten, als eine Periode der trigonometrischen Funktion angewandt wird, wird die Intensität der Reaktionskraft, wenn die Periode lang ist, langsam verringert, verglichen damit, wenn die Periode kurz ist, so dass die Reaktionskraft in Erwiderung auf die langsamere Gehgeschwindigkeit für einen längeren Zeitraum kontinuierlich sein kann.
Darüber hinaus kann die trigonometrische Funktion verwendet werden, so dass, wenn der Träger seinen/ihren Fuß anzuheben beginnt, die anfängliche Stärke der auf den Roboter aufgebrachten Reaktionskraft relativ hoch ist und dann sanft reduziert wird. Auf diese Weise kann der Träger seinen/ihren Fuß ohne Unannehmlichkeiten wieder auf den Boden setzen.
Ein Beispiel einer Gleichung für die Verwendung als trigonometrische Funktion ist wie folgt.
[Gleichung 3]
Wie in Gleichung 3 gezeigt, kann die trigonometrische Funktion f(t) als eine Cosinus-Funktion ausgedrückt werden. w kann auf die Funktion angewandt werden, nachdem sie in eine Frequenz umgewandelt ist, die als eine Periode die Zeitdauer aufweist, die die Sohle benötigt, um auf den Boden zu treten. Hierbei bezieht sich dies auf eine z-Richtung, das heißt, eine Richtung senkrecht zu dem Boden. In dem Fall von F_impulse,x, die eine Reaktionskraftkomponente mit Bezug auf die z-Richtung darstellt, das heißt, in einer Richtung parallel zu dem Boden, wird sie als die z-Achsen-Kraftkomponente mit einem Pluszeichen (+) für ein Vorwärts-Gehen oder ein Minuszeichen (–) für Rückwärts-Gehen ausgedrückt.
Demzufolge kann eine Vektorkomponente der imaginären Reaktionskraft aus der Summe der x-Achsen-Komponente und der z-Achsen-Komponente erhalten werden.
Anschließend wird in dem Umwandlungsschritt S400 die erhaltene imaginäre Reaktionskraft auf eine transponierte Jacobi-Matrix angewandt und wird in das Antriebsmoment für die untere Gelenkverbindung der Extremitäten des Roboters umgewandelt.
Das heißt, nachdem die von der Sohle benötigte Reaktionskraft erhalten ist, wird sie in ein Antriebsmoment umgewandelt, um einen Motor von jeder Gelenkverbindung des Roboters anzutreiben, und ein Antriebsbefehl wird an den entsprechenden Motor übertragen.
Dies kann durch die folgende Gleichung erhalten werden.
[Gleichung 4]
Somit wird jede F_impulse, die eine Vektorkomponente darstellt, als eine Matrix ausgedrückt. Dies kann durch die transponierte Jacobi-Matrix in ein Drehmoment umgewandelt werden, das in der entsprechenden Gelenkverbindung erforderlich ist. Hierbei ist F_impulse,y, das heißt eine y-Komponente, typischerweise Null, es sei denn, dass der Roboter seitwärts geht.
Wie in 1 gezeigt, kann ein Prüfschritt S500 zum Überprüfen, ob die Sohle des Fußes des Roboters von dem Boden hochgehoben worden ist, durchgeführt werden. Ferner kann ein Aufbringungsschritt S600 zum Aufbringen eines Antriebsmoments auf die unteren Gelenkverbindungen der Extremitäten, die mit der entsprechenden Sohle verbunden ist, durchgeführt werden, wenn die Sohle des Fußes des Roboters von dem Boden hochgehoben wird.
Das heißt, die Oberflächenkontakt-Sensoren können zu dem Zeitpunkt überprüfen, wenn der Fuß, dessen Sohle gerade auf den Boden getreten ist, vom Boden hochgehoben wird. Zu diesem Zeitpunkt kann eine imaginäre Reaktionskraft auf die entsprechende Sohle des Fußes aufgebracht werden, so dass der Träger leicht gehen kann.
In dem Berechnungsschritt S300 wird eine vorgegebener Größenwert (F_mag) mit der trigonometrischen Funktion multipliziert, um die imaginäre Reaktionskraft zu berechnen. Darüber hinaus kann in dem Berechnungsschritt S300 wie oben erwähnt, das Vorzeichen der x-Achsen-Komponente der imaginären Reaktionskraft in Abhängigkeit von der Richtung, in der der Roboter geht, verändert werden.
2 eine Ansicht, die eine Konstruktion eines Systems zum Steuern der Gangart eines Roboters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt. Das System zum Steuern der Gangart eines Roboters der vorliegenden Offenbarung kann die Oberflächenkontakt-Sensoren 110, die an der Sohle 100 von jedem Fuß des Roboters vorgesehen sind, und eine Steuereinheit 300 umfassen, die den Gehzustand und die Richtung des Roboters und die Zeitdauer, die die Sohle 100 benötigt, um auf den Boden zu treten, unter Verwendung der Oberflächenkontakt-Sensoren 110 misst. Die Steuereinheit 300 berechnet die imaginäre Reaktionskraft F, die auf die Sohle 100 aufgebracht wird, unter Verwendung der trigonometrischen Funktion, die die gemessene Zeitdauer, die zum Treten auf den Boden benötigt wird, als eine Periode aufweist, und wendet die berechnete imaginäre Reaktionskraft F auf die transponierte Jacobi-Matrix an, um die Reaktionskraft in ein Drehmoment zum Antreiben der unteren Gelenkverbindungen der Extremitäten des Roboters umzuwandeln.
Dadurch kann die imaginäre Reaktionskraft auf die Sohle 100 von jedem Fuß des Roboters aufgebracht werden. Die imaginäre Reaktionskraft wird als Antriebsmoment an die Motoren eingegeben, die in den entsprechenden Gelenkverbindungen 10, 20 und 30 vorgesehen sind, so dass die imaginäre Reaktionskraft verwirklicht werden kann.
Wie oberhalb beschrieben, stellt ein Verfahren und System zum Steuern der Gangart eines Roboters gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Regel-Algorithmus zum Verringern einer Last auf der Grundlage einer imaginären Reaktionskraft unter Verwendung von Ein-/Aus-Schaltern eines Fußmoduls bereit, so dass ein kostengünstiger Sensor verwendet werden kann, ohne dass ein teurer FIT-Sensor benötigt wird. Dadurch können die Produktionskosten verringert werden. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung die beabsichtigte Gangart des Trägers genauer erfassen und den Roboter präziser steuern.
Darüber hinaus kann ein Verfahren, in dem die Gehgeschwindigkeit des Trägers unter Verwendung des digitalen Stromes der Ein-/Aus-Schalter berechnet wird, das Problem des herkömmlichen Verfahrens zum Erfassen einer Absicht vermeiden, das eine geringe Zuverlässigkeit aufgrund eines Ratterns und Geräuschen des F/T-Sensors aufweist. Demzufolge kann die vorliegende Offenbarung ein komfortables Tragegefühl für den Träger liefern.
Außerdem, weil die vorliegende Offenbarung auf einer imaginären Reaktionskraft basiert, sind eine zusätzliche Schaltung/Platine und ein Signalverarbeitungs-Algorithmus, die verwendet werden, wenn ein Sensor eine Reaktionskraft tatsächlich misst, nicht erforderlich.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden sind, wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass verschiedenste Änderungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und dem Geist der Erfindung, wie dies in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

KR 10-1179159 B1 [0006, 0009]

Claims

Verfahren zum Steuern der Gangart eines Roboters, aufweisend: Bestimmen, ob der Roboter geht, und, falls bestimmt wird, dass er geht, Bestimmen einer Richtung, in der der Roboter geht; Messen einer Zeitdauer, die eine Sohle eines Fußes des Roboters benötigt, um auf einen Boden zu treten; Berechnen einer imaginären Reaktionskraft, die auf die Sohle aufgebracht wird, unter Verwendung einer trigonometrischen Funktion, die als eine Periode die gemessene Zeitdauer aufweist, die die Sohle benötigt, um auf den Boden zu treten; und Anwenden der berechneten imaginären Reaktionskraft auf eine transponierte Jacobi-Matrix und Umwandeln der imaginären Reaktionskraft in ein Antriebsmoment für eine untere Gelenkverbindung der Extremitäten des Roboters.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Umwandeln ein Überprüfen umfasst, ob die Sohle des Fußes des Roboters von dem Boden hochgehoben worden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Überprüfen ein Aufbringen des Antriebsmoments auf die untere Gelenkverbindung der Extremitäten umfasst, die mit der Sohle des Fußes des Roboters verbunden ist, wenn die Sohle von dem Boden hochgehoben worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen ein Bestimmen, ab der Roboter geht, unter Verwendung eines Oberflächenkontakt-Sensors umfasst, der an/auf der Sohle des Fußes des Roboters vorgesehen ist, und das Messen ein Messen der Zeitdauer, die die Sohle des Fußes des Roboters benötigt, um auf den Boden zu treten, unter Verwendung des Oberflächenkontakt-Sensors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen ein Multiplizieren der trigonometrischen Funktion mit einem vorgegebenen Größenwert umfasst, um die imaginäre Reaktionskraft zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen ein Ändern eines Vorzeichens einer x-Achsen-Komponente der imaginären Reaktionskraft in Abhängigkeit von der Richtung umfasst, in der der Roboter geht.
System zum Steuern der Gangart eines Roboters, aufweisend: einen Oberflächenkontakt-Sensor, der an/auf einer Sohle eines Fußes des Roboters vorgesehen ist; und eine Steuereinheit, die einen Gehzustand und eine Richtung des Roboters und eine Zeitdauer, die die Sohle zum Treten auf einen Boden benötigt, unter Verwendung des Oberflächenkontakt-Sensors misst, wobei die Steuereinheit eine imaginäre Reaktionskraft, die auf die Sohle aufgebracht wird, unter Verwendung einer trigonometrischen Funktion berechnet, die die gemessene Zeitdauer, die zum Treten auf den Boden benötigt wird, als eine Periode aufweist, und die berechnete imaginäre Reaktionskraft auf eine transponierte Jacobi-Matrix anwendet, um die imaginäre Reaktionskraft in ein Drehmoment zum Antreiben einer unteren Gelenkverbindung der Extremitäten des Roboters umzuwandeln.
System nach Anspruch 7, wobei der Oberflächenkontakt-Sensor eine Mehrzahl von Bandsensoren umfasst, die an/auf der Sohle des Fußes des Roboters an voneinander beabstandeten Positionen vorgesehen sind.