DE102013111210A1

DE102013111210A1 - Verfahren zum Steuern eines Robotergangs

Info

Publication number: DE102013111210A1
Application number: DE102013111210.2A
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: 2013-10-10
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: JP6227343B2; KR20140085700A; US8977397B2; CN103895016A; JP2014128868A; US20140188279A1; DE102013111210B4; KR101438970B1; CN103895016B

Abstract

Ein Verfahren weist auf: ein Bilden einer imaginären Wand (200, 200') an einer Position in Abstand zu und außerhalb von Füßen des Roboters, wenn die Roboter in einem Zweibein-Stützzustand ist, ein kinetisch-kinematisches Berechnen (S210) einer Variation einer Distanz zwischen einem Roboterkörper und der imaginären Wand (200, 200') und einer Variation einer Geschwindigkeit des Roboterkörpers relativ zur imaginären Wand (200, 200'), unter Verwendung eines Winkels (q1, q2) eines Gelenks und von Längen (L1, L2) von Verbindungsgliedern eines Roboters, ein Anwenden (S220) der Variation der Distanz und der Variation der Geschwindigkeit auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell (300, 300'), welches zwischen dem Roboterkörper und der imaginären Wand (200, 200') gebildet ist, und ein Berechnen einer imaginären Rektionskraft, welche am Roboterkörper erforderlich ist, und ein Umwandeln (S230) der berechneten Reaktionskraft in ein Antriebsdrehmoment, welches am Roboterkörper erforderlich ist, unter Verwendung einer transponierten Jacobimatrix.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Robotergangs (bzw. einer Gangart) eines tragbaren (bzw. anziehbaren) Roboters, unter Verwendung einer imaginären Federung (bzw. Aufhängung), um den Roboter für einen Träger/eine Trägerin verlässlicher zu machen, der/die den Roboter an seiner/ihrer unteren Extremität (bzw. Extremitäten) trägt, um mit dem Roboter zu gehen (bzw. zu laufen).
2. Beschreibung der bezogenen Technik
Eine Vielzahl von konventionellen Steuerverfahren zum Steuern des Gangs von gehenden bzw. laufenden oder tragbaren Robotern wurde vorgeschlagen.
In solchen konventionellen Verfahren zum Steuern des Gangs eines Roboters ist es vergleichsweise einfach den Roboter zu steuern, um einen vorbestimmten Pfad entlangzugehen, jedoch ist es schwierig den Roboter im Gleichgewicht zu halten, wenn dieser auf einer Stelle geht oder steht. Insbesondere ist es sehr schwierig den Roboter schnell zu steuern und dessen Gleichgewicht zu halten, wenn der Roboter von einer äußeren Kraft ins Taumeln (bzw. aus dem Gleichgewicht) gebracht wird.
Ein Beispiel der konventionellen Technik wurde im offengelegten koreanischen Patent Nr. 10-2012-0121958 A mit dem Titel „Force/Torque sensor for robot and method of controlling gait of robot using the same” vorgeschlagen. Das Verfahren dieser konventionellen Technik weist die Schritte auf: Messen eines vertikalen Drehmoments, welches generiert wird, wenn der Roboter geht, Verwenden von Kraft/Drehmomentsensoren, welche an den Beinen des Roboters bereitgestellt sind, und Steuern eines Gelenks eines oberen Roboterkörpers als Reaktion auf das gemessene Drehmoment und Einstellen einer Last (bzw. Belastung), welche auf die Beine des Roboters aufgebracht wird. Jedoch kann es diese konventionelle Technik nicht merklich verbessern, den Roboter im Gleichgewicht zu halten, wenn dieser auf einer Stelle geht oder steht.
Ein weiteres Beispiel wurde im offengelegten koreanischen Patent Nummer 10-1999-0059516 A mit dem Titel „Method and apparatus for controlling robot manipulator” vorgeschlagen. Diese konventionelle Technik betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Robotermanipulators (bspw. eines Roboterarms), um die Betriebseigenschaft des Roboters um einen singulären Punkt (bzw. eine Singularität) herum zu verbessern. Besonders ermitteln das Verfahren und die Vorrichtung einen singulären Punkt des Manipulators, berechnen in Abhängigkeit einer relativen Größe des singulären Punkts einen Steuereingabewert unter Verwendung einer zu einem aktuellen Positionswert des Manipulators korrespondierenden transponierten Jacobimatrix, und steuern den Manipulator in Abhängigkeit von dem Steuereingabewert. Das Steuerverfahren dieser konventionellen Technik kann den Robotermanipulator verlässlich an oder um einen singulären Punkt herum betreiben.
Es sollte klar sein, dass die vorangehende Beschreibung lediglich bereitgestellt wurde, um beim Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu helfen, und das nicht beabsichtigt ist, dass die vorliegende Offenbarung in den Geltungsbereich der bezogenen Technik fällt.
(Patentdokument 1) KR 10-2012-0121958 A
(Patentdokument 2) KR 10-1999-0059516 A
Erläuterung der Offenbarung
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Robotergangs eines tragbaren Roboters bereitzustellen, unter Verwendung einer imaginären Federung, um den Roboter verlässlicher zu machen.
Um das obige Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Steuern eines Robotergangs bereit, welches aufweist: Bilden einer imaginären Wand an einer Position in Abstand zu und außerhalb von Füßen des Roboters, wenn der Roboter in einem Zweibein-Stützzustand (bzw. wenn beide Beine in Kontakt mit einem Boden/Untergrund sind) ist, kinetisches bzw. kinematisches Berechnen einer Variation einer Distanz zwischen einem Roboterkörper und der imaginären Wand und einer Variation einer Geschwindigkeit des Roboterkörpers relativ zur imaginären Wand unter Verwendung eines Winkels eines Gelenks (bzw. eines Antriebsgelenks) und von Längen von Verbindungsgliedern des Roboters, Anwenden der Variation der Distanz und der Variation der Geschwindigkeit auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell, welches zwischen dem Roboterkörper und der imaginären Wand gebildet ist, und Berechnen einer imaginären Reaktionskraft, welche am Roboterkörper erforderlich ist, und Umwandeln der berechneten Reaktionskraft in ein Antriebsdrehmoment, welches am Roboterkörper erforderlich ist, unter Verwendung einer transponierten Jacobimatrix.
Die imaginäre Wand kann imaginäre Wände aufweisen, welche jeweils an gegenüberliegenden (bzw. entgegengesetzten) Seiten des Roboters und vor und hinter dem Roboter gebildet sind.
Der Roboter kann ein Fußgelenk, ein Kniegelenk und ein Hüftgelenk aufweisen.
Ein Umwandeln der berechneten Reaktionskraft kann aufweisen, wenn der Roboter in einem Einzelbein-Stützzustand ist (bzw. wenn nur ein Bein in Kontakt mit dem Boden/Untergrund ist), ein kinetisches bzw. kinematisches Berechnen einer Variation einer Höhe (bzw. eines Abstands) zwischen einer Hüfte des Roboters und einer Sohle von einem der Füße des Beins (bzw. einem Ende eines unteren Endabschnitts davon), das den Körper stützt, und das kinetische bzw. kinematische Berechnen einer Variation einer Geschwindigkeit der Hüfte relative zur Sohle unter Verwendung eines Winkels des Gelenks und der Längen der Verbindungsglieder des Roboters.
Das kinetische bzw. kinematische Berechnen der Variation der Höhe kann aufweisen ein Anwenden der Variation der Höhe und der Variation der Geschwindigkeit der Hüfte auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell, das zwischen der Hüfte und der Sohle vorliegt, und ein Berechnen einer imaginären Stützkraft, welche am Bein erforderlich ist, das den Roboterkörper stützt.
Das Berechnen der imaginären Stützkraft kann aufweisen ein Umwandeln der berechneten Stützkraft in ein Antriebsdrehmoment, welches am Gelenk des Roboters erforderlich ist, unter Verwendung einer transponierten Jacobimatrix.
Der Roboter kann ein Nickbewegungsgelenk (bzw. Nickbewegungsantriebsgelenk) aufweisen, welches in (bzw. an) einer Hüfte des Roboter bereitgestellt ist, und ein Umwandeln der berechneten Reaktionskraft kann aufweisen ein Anwenden einer Variation eines Winkels des Nickbewegungsgelenks und einer Variation einer Winkelgeschwindigkeit des Nickbewegungsgelenks auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell, das zwischen zwei Verbindungsgliedern vorliegt, die mittels des Nickbewegungsgelenks miteinander verbunden sind, und ein Berechnen eines Nickbewegungsdrehmoments, welches am Nickbewegungsgelenk erforderlich ist.
Der Roboter kann ein Rollbewegungsgelenk (bzw. Rollbewegungsantriebsgelenk) aufweisen, welches in (bzw. an) einer Hüfte des Roboters bereitgestellt ist, und das Umwandeln der berechneten Reaktionskraft kann aufweisen ein Anwenden einer Variation eines Winkels des Rollbewegungsgelenks und einer Variation einer Winkelgeschwindigkeit des Rollbewegungsgelenks auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell, das zwischen zwei Verbindungsgliedern vorliegt, die mittels des Rollbewegungsgelenks miteinander verbunden sind, und ein Berechnen eines Rollbewegungsdrehmoments, welches am Rollbewegungsgelenk erforderlich ist.
Wie oben beschrieben, in einem Verfahren zum Steuern des Gangs eines Roboters, wirkt eine Federungssteuereinheit (bzw. eine Aufhängungssteuerungseinheit) für imaginäre Feder-Dämpfer-Modelle, welche in einem Gelenkkoordinatensystem orthogonal vorgesehen sind, um eine anfängliche Haltung eines Trägers beizubehalten, in Erwiderung auf die Gestalt des Trägers (bspw. dessen Anatomie). Darüber hinaus, wenn eine durch den Träger beabsichtigte Kraft oder eine äußere Kraft auf den Roboter angewendet wird (bzw. einwirkt), kann die Federungssteuereinheit ebenfalls wirken, um die Kraft zu dissipieren, darauf zu reagieren oder diese zurückzugewinnen (bzw. auszugleichen).
Sogar wenn der Roboter im Einzelbein-Stützzustand ist, werden diese Funktionen wesentlich genutzt, um einen stabilen Zustand des Roboters beizubehalten. Wenn der Roboter vom Zweibein-Stützzustand in den Einzelbein-Stützzustand übergeht, variiert ein dynamisches Gleichungsmodell kurzzeitig, aufgrund einer Gravitationsänderung (bzw. einer Änderung einer Beschleunigungskraft im Gravitationsfeld) und einer Änderung in einem Teil, welches den Roboterkörper stützt. Zu diesem Zeitpunkt können die oben beschriebenen Funktionen einen schnellen, dynamischen Wechsel der Charakteristik (bspw. ein Stürzen) verhindern und einen Bewegungsfehler verringern, welcher durch eine Differenz zwischen einem derzeitigen Modell und einer dynamischen Gleichungsmodellvariablen verursacht wird.
Wenn der Roboter geht bzw. läuft, wird der Zustand des Roboters periodisch zwischen dem Einzelbein-Stützzustand und dem Zweibein-Stützzustand gewechselt. Wenn der Roboter einen Schritt auf den/dem Boden bzw. Untergrund tätigt und in den Einzelbein-Stützzustand eintritt, wird eine vergleichsweise große, äußere Kraft kurzzeitig auf den Roboter angewendet (bzw. wirkt auf diesen ein). Die imaginären Drehfederungen, welche zum Beispiel an drei Nickachsen vorgesehen sind, können wirken, um einen großen Impuls abzublocken, welcher kurzzeitig auf den Roboter angewendet wird (bzw. einwirkt), und können dadurch eine Erschütterung absorbieren. Eine Rückstellkraft (bzw. Wiederherstellungskraft), mittels welcher die Federungen (bzw. Aufhängungen) wieder in ihre ursprünglichen Zustände zurückgebracht werden, unterstützt den Träger, um in seine/ihre ursprüngliche Haltung zurückzukehren, wodurch ein Energieverbrauch des Trägers reduziert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden mit der folgenden detaillierten Beschreibung, zusammengenommen mit den begleitenden Zeichnungen, besser verstanden werden, wobei:
1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des Gangs eines Roboters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist,
2 und 3 Ansichten sind, welche einen Zweibein-Stützzustand des Roboters im Robotergangsteuerverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen,
4 eine Ansicht ist, welche eine kinetische bzw. kinematische Berechnung des Robotergangsteuerverfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, und
5 bis 7 Ansichten sind, welche einen Einzelbein-Stützzustand des Roboters im Robotergangsteuerverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Steuern des Gangs eines Roboter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Detail mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben.
Die 1 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des Gangs eines Roboters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die 2 und 3 sind Ansichten, welche einen Zweibein-Stützzustand des Roboters im Robotergangsteuerverfahren zeigen. Die 4 ist eine Ansicht, welche eine kinetische bzw. kinematische Berechnung des Robotergangsteuerverfahrens zeigt. Die 5 bis 7 zeigen einen Einzelbein-Stützzustand des Roboters im Robotergangsteuerverfahren.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Robotergangsteuerungsverfahren, welches ein imaginäres Federungssystem (bzw. Aufhängungssystem) zum Steuern des Gangs eines, zum Beispiel, tragbaren Untere-Extremität-Exoskelett-Roboters nutzt.
Ein beispielhaftes Robotergangkontrollverfahren der vorliegenden Offenbarung weist auf: einen Schritt des Bildens S200 einer imaginären Wand, wobei imaginäre (bzw. virtuelle) Wände an Positionen in Abstand zu und außerhalb von den Füßen des Roboters in vorbestimmten Entfernungen gebildet werden, wenn der Roboter in einem Zweibein-Stützzustand ist, einen Variation-Berechnungsschritt S210 des kinetischen bzw. kinematischen Berechnens einer Variation einer Distanz zwischen einem Roboterkörper und jeder imaginären Wand und einer Variation einer Geschwindigkeit des Roboterkörpers relativ zu jeder imaginären Wand, unter Verwendung von Winkeln von Gelenken und den Längen von Verbindungsgliedern des Roboters, einen Reaktionskraft-Berechnungsschritt S220 des Anwendens der Distanzvariation und der Geschwindigkeitsvariation auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell, welches zwischen dem Roboterkörper und jeder imaginären Wand gebildet ist, und des Berechnens einer imaginären Rektionskraft, welche am Roboterkörper erforderlich ist, und einen Reaktionskraft-Umwandlungsschritt S230 des Umwandelns der berechneten Reaktionskraft in ein Antriebsdrehmoment, welches an Gelenken des Roboters erforderlich ist, unter Verwendung einer transponierten Jacobimatrix.
Roboter sind klassifiziert in unbemannte Roboter, welche autonom agieren, und tragbare Roboter, welche von einer Person getragen (bzw. angezogen) werden, um damit zu gehen bzw. zu laufen. Obwohl die vorliegende Offenbarung auf beide Arten von Robotern angewendet werden kann, wird in der folgenden beispielhaften Ausführungsform ein tragbarer Roboter beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung ist so konzipiert, dass eine Person einen Roboter trägt, um damit zu gehen. Um eine Zuverlässigkeit des Robotergangs zu bieten, kann die vorliegende Offenbarung einen Zweibein-Stützzustand des Roboters (das heißt, einen Stehzustand) und einen Einzelbein-Stützzustand (das heißt, einen Geh/Laufzustand) separat steuern. Darüber hinaus, sogar wenn während des Gehens die Füße mit dem Boden in Kontakt gebracht werden, kann eine Steuerung des Zweibein-Stützzustand ausgeführt werden.
Die 2 und 3 sind Ansichten, welche den Zweibein-Stützzustand des Roboters im Robotergangsteuerungsverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.
Im Schritt S100 wird festgestellt, ob der Roboter im Zweibein-Stützzustand oder im Einzelbein-Stützzustand ist. Falls der Roboter im Zweibein-Stützzustand ist, wird als erstes der Schritt des Bildens S200 der imaginären Wand ausgeführt, wobei die imaginären Wände 200 und 200 an Positionen in Abstand zu und außerhalb von den Füßen des Roboters in vorbestimmten Entfernungen gebildet werden.
Nachdem die imaginären Wände 200 und 200' gebildet worden sind, werden Federungen, welche die Feder-Dämpfer-Modelle 300 und 300' aufweisen, zwischen den imaginären Wänden und dem Roboter gebildet. Angenommen, dass die Federungen eine Reaktionskraft auf den Roboter anwenden (bzw. ausüben), wird der Roboter derart gesteuert, dass die Reaktionskraft an einem Gelenkantriebssystem des Roboters bereitgestellt wird, so dass, wenn sich der Roboter in eine Richtung neigt, der Roboter reagiert, als ob die Federungen Erschütterungen oder ein Wackeln des Roboters absorbieren, wodurch der Roboter automatisch sein Gleichgewicht halten kann.
Zu diesem Zweck werden zuerst die imaginären Wände gebildet. Die imaginären Wände werden in vorbestimmten Entfernungen an Positionen gebildet, welche in Abstand von korrespondierenden Sohlen (100) der Füße des Roboters sind. Das heißt, wie in der 2 gezeigt, Seitenwände werden an gegenüberliegenden Seiten der Sohlen der Füße an Positionen gebildet, welche von der korrespondieren Sohle in einer Entfernung A in Abstand sind. Wie in der 3 gezeigt werden außerdem eine vordere und eine hintere Wand vor bzw. hinter den Sohlen der Füße an Positionen gebildet, welche davon in einer Entfernung B in Abstand sind.
Der Roboter weist Gelenke und Verbindungsglieder auf, welche die Gelenke miteinander verbinden. Beim Variation-Berechnungsschritt S210 werden eine Variation der Distanz zwischen dem Roboterkörper und jeder imaginären Wand und eine Variation der Geschwindigkeit des Roboterkörpers relativ zu jeder imaginären Wand kinetisch bzw. kinematisch berechnet unter Verwendung von Winkeln der Gelenke und von Längen der Verbindungsglieder des Roboters. Demzufolge, wenn Drehwinkel der Gelenke mittels Sensoren (bzw. Messgebern) gemessen werden, kann eine Variation der Distanz zwischen einem vorbestimmten Abschnitt des Roboterkörpers und jeder imaginären Wand kinetisch bzw. kinematisch berechnet werden.
Weil die Positionen der imaginären Wände bezogen auf die Sohlen der Füße des Roboters bestimmt werden, können die Positionen der imaginären Wände relativ zum Roboter als fixiert betrachtet werden. Auf diese Art können die Position(en) der imaginären Wände einfach bestimmt werden. Weiter kann die Position des Roboterkörpers einfach kinetisch bzw. kinematisch bestimmt werden unter Verwendung einer trigonometrischen Funktion, bezogen auf die Sohlen der Füße des Roboters. Demzufolge kann eine Variation in der relativen Distanz zwischen jeder imaginären Wand und dem Roboterkörper einfach bestimmt werden. Darüber hinaus kann eine Variation der Geschwindigkeit des Roboterkörpers mittels einer Differenz der Distanzvariation erhalten werden.
Beim Reaktionskraft-Berechnungsschritt S220 wird die Distanzvariation und die Geschwindigkeitsvariation auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell angewendet, welches zwischen dem Roboterkörper und jeder imaginären Wand vorliegt, um eine imaginäre Reaktionskraft zu berechnen, welche am Roboterkörper erforderlich ist. Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist ein imaginärer Feder/Dämpfer 300 bzw. 300' jeweils zwischen jeder korrespondierenden imaginären Wand und dem Roboterkörper bereitgestellt. Die Distanzvariation und die Geschwindigkeitsvariation werden auf jedes imaginäre Feder-Dämpfer-Modell angewendet, wodurch eine Reaktionskraft, welche auf den Roboterkörper angewendet wird, erhalten werden kann.
Eine Beispielgleichung kann vom folgenden Konzept abgeleitet werden.
(Gleichung 1)

F = kΔx + cΔx .
τ = J^T·F

In der Gleichung 1 bezeichnen k und c eine Federkonstante bzw. einen Dämpfungskoeffizient. Im Reaktionskraft-Umwandlungsschritt S230 wird die berechnete Reaktionskraft mittels einer transponierten Jacobimatrix in ein Antriebsdrehmoment umgewandelt, welches an den Gelenken des Roboters erforderlich ist. Das heißt, eine Reaktionskraft, welche auf ein Ende des Roboterkörpers angewendet wird, wird mittels der transponierten Jacobimatrix in ein erforderliches Antriebsdrehmoment für die Gelenke umgewandelt und wird genutzt, um die Motoren (bspw. die Elektromotoren) der Gelenke in Schritt S400 zu steuern. Demzufolge kann der Roboter gesteuert werden als ob der Roboter tatsächlich mittels der Federungen 300 bzw. 300' an den imaginären Wänden 200 und 200' abgestützt ist.
Darüber hinaus sind die imaginären Wände jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Roboters (200) und vor und hinter dem Roboter (200') gebildet, so dass der Roboter mittels der Federungen vorwärts, rückwärts, nach links und nach rechts gestützt werden kann, wodurch, wenn der Roboter im Zweibein-Stützzustand ist, dieser automatisch in einer stabilen Haltung gehalten werden kann, wodurch die Sicherheit des Trägers gefördert wird.
Weiter kann der Roboter Fußgelenke, Kniegelenke und Hüftgelenke aufweisen. Reaktionskräfte werden verteilt (bzw. aufgeteilt) und als ein Antriebsdrehmoment in die korrespondierenden Gelenke zugeführt (bzw. an diesen bereitgestellt).
Die 4 ist eine Ansicht, welche eine kinetische bzw. kinematische Berechnung des Robotergangsteuerverfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die 5 bis 7 zeigen einen Einzelbein-Stützzustand des Roboters im Robotergangsteuerverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Wenn der Roboter im Einzelbein-Stützzustand ist, dann geht bzw. läuft dieser. Um den Roboter im Gleichgewicht zu halten, wird zumindest eines von den Beinen des Roboters, das den Roboterkörper stützt, intensiv gesteuert.
Jedes Bein kann ein Fußgelenk 130, ein Kniegelenk 140 und ein Hüftgelenk 120 aufweisen. Das Hüftgelenk 120 kann ein Nickbewegungsgelenk 122 und ein Rollbewegungsgelenk 124 aufweisen, so dass sich die Hüfte um zwei Achsen herum drehen kann und sich somit geschmeidig bewegt, in der gleichen Weise wie die Taille eines Menschen.
Im Einzelbein-Stützzustand des Roboters, bei einem Höhen-Berechnungsschritt S300, werden beide, eine Variation einer Höhe Yd (bzw. eines Abstands) zwischen der Sohle 100 des Fußes des Beins, das den Roboterkörper stützt, und des korrespondierenden Hüftgelenks 120 und eine Variation einer Geschwindigkeit des Hüftgelenks 120 relativ zur Sohle 100 kinetisch bzw. kinematisch berechnet, unter Verwendung von Winkeln (z. B. q1 und q2) der Gelenke und von den Längen (z. B. L1 und L2) der Verbindungsglieder des Roboters. Bei einem Stützkraft-Berechnungsschritt S310 werden die Höhenvariation und die Geschwindigkeitsvariation auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell angewendet, welches zwischen dem Hüftgelenk und der Sohle vorliegt, wodurch eine imaginäre Stützkraft berechnet wird, welche am Stützfuß erforderlich ist. Nach dem Stützkraft-Berechnungsschritt S310 wird in einem Stützkraft-Umwandlungsschritt S320 die berechnete Stützkraft in ein Antriebsdrehmoment umgewandelt, welches an den Gelenken des Roboters erforderlich ist, unter Verwendung einer transponierten Jacobimatrix.
Die Distanz zwischen der Hüfte des Roboters und der Sohle des korrespondierenden Fuß oder des Bodens kann mittels einer kinetischen bzw. kinematischen Analyse, wie in der 4 gezeigt, erhalten werden. Das heißt, die Distanz kann mittels der folgenden Gleichung kinetisch bzw. kinematisch berechnet werden, unter Verwendung von Winkeln der Gelenke und der Längen der Verbindungsglieder des Beins des Roboters.
(Gleichung 2)

Yd = L1·cos(q1) + L2·cos(q2 – q1)

Nachdem die Höhe der Hüfte des Roboters erhalten wurde, wird ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell zwischen der Hüfte des Roboters und dem Boden oder der Sohle des Fußes gebildet, und dann wird eine imaginäre Stützkraft berechnet, mit welcher die Hüfte gestützt wird, mittels einer Variation der Höhe der Hüfte und einer Variation der Geschwindigkeit einer Bewegung der Hüfte. Die Stützkraft wird mittels der transponierten (bzw. transponierenden) Jacobimatrix in ein erforderliches Antriebsdrehmoment für jedes Gelenk umgewandelt. Die Gelenke werden mittels des korrespondierenden Drehmoments betrieben (bzw. betätigt), so dass die Gelenke des Beins, das den Roboterkörper stützt, eine Erschütterung absorbieren können, wenn der Roboter geht bzw. läuft.
Der Roboter weist das Nickbewegungsgelenk 122 auf, welches in der Hüfte bereitgestellt ist. Der Reaktionskraft-Umwandlungsschritt S320 und/oder der Stützkraft-Umwandlungsschritt S320 weist einen Nickbewegungsberechnungs-Schritt S330 auf. Im Nickbewegungs-Berechnungsschritt S330 werden eine Variation in einem Winkel (Q2) des Nickbewegungsgelenks 122 und eine Variation in einer Winkelgeschwindigkeit des Nickbewegungsgelenks 122 auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell 600 angewendet, welches zwischen den beiden Verbindungsgliedern 122a und 122b, die miteinander mittels des Nickbewegungsgelenks 122 verbunden sind, vorliegt, und ein Nickbewegungsmoment, welches am Nickbewegungsgelenk erforderlich ist, wird berechnet.
Darüber hinaus weist der Roboter das Rollbewegungsgelenk 124 auf, welches in der Hüfte bereitgestellt ist. Der Reaktionskraft-Umwandlungsschritt S320 und/oder der Stützkraft-Umwandlungsschritt S320 weist weiter einen Rollbewegungs-Berechnungsschritt S340 auf. (Im Rollbewegungs-Berechnungsschritt S340) werden eine Variation in einem Winkel (Q1) des Rollbewegungsgelenks 124 und eine Variation in einer Winkelgeschwindigkeit des Rollbewegungsgelenks 124 auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell 500 angewendet, welches zwischen den beiden Verbindungsgliedern 124a und 124b, die miteinander mittels des Rollbewegungsgelenks 124 verbunden sind, vorliegt, und ein Rollbewegungsmoment, welches am Rollbewegungsgelenk erforderlich ist, wird berechnet.
Die 5 bis 7 sind Ansichten, welche den Einzelbein-Stützzustand des Roboters im Robotergangsteuerverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen. Das Rollbewegungsmoment und das Nickbewegungsmoment können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden.
(Gleichung 3)

τ_{Rollbewegungsrückstellung} = kΔq + cΔq .
τ_{Nickbewegungsrückstellung} = kΔq + cΔq .

In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Variation eines Winkels von jedem Gelenk und die Variation einer Winkelgeschwindigkeit des Gelenks mittels eines Drehmessgebers (bzw. eines Drehungsmesssensors) oder dergleichen abgeleitet und berechnet werden. Die abgeleiteten Variationen werden auf ein Federungsmodell (bzw. Aufhängungsmodell) angewendet, um ein Antriebsdrehmoment zu berechnen, welches am korrespondierenden Gelenk erforderlich ist, wodurch sogar beim Nickbewegen oder Rollbewegen das Gelenk in der gleichen Weise wie eine Feder wieder zurückgestellt werden kann und verlässlich mittels eines Dämpfers betrieben werden kann.
Wie oben beschrieben, in einem Verfahren zum Steuern des Gangs eines Roboters, wirkt eine Federungssteuereinheit (bzw. eine Aufhängungssteuerungseinheit) für imaginäre Feder-Dämpfer-Modelle, welche in einem Gelenkkoordinatensystem orthogonal vorgesehen sind, um eine anfängliche Haltung eines Trägers beizubehalten, in Reaktion auf die Gestalt des Trägers (bspw. dessen Anatomie). Darüber hinaus, wenn eine durch den Träger beabsichtigte Kraft oder eine äußere Kraft auf den Roboter angewendet wird (bzw. einwirkt), kann die Federungssteuereinheit ebenfalls wirken, um die Kraft zu dissipieren, darauf zu reagieren oder diese zurückzugewinnen (bzw. auszugleichen).
Sogar wenn der Roboter im Einzelbein-Stützzustand ist, werden diese Funktionen wesentlich genutzt, um einen stabilen Zustand des Roboters beizubehalten. Wenn der Roboter vom Zweibein-Stützzustand in den Einzelbein-Stützzustand übergeht, variiert ein dynamisches Gleichungsmodell kurzzeitig, aufgrund einer Gravitationsänderung (bzw. einer Änderung einer Beschleunigungskraft im Gravitationsfeld) und einer Änderung in einem Teil, welches den Roboterkörper stützt. Zu diesem Zeitpunkt können die oben beschriebenen Funktionen einen schnellen, dynamischen Wechsel der Charakteristik (bspw. ein Stürzen) verhindern und einen Bewegungsfehler verringern, welcher durch eine Differenz zwischen einem derzeitigen Modell und einer dynamischen Gleichungsmodellvariablen verursacht wird.
Wenn der Roboter geht, wird der Zustand des Roboters periodisch zwischen dem Einzelbein-Stützzustand und dem Zweibein-Stützzustand gewechselt. Wenn der Roboter einen Schritt auf den Boden tätigt und in den Einzelbein-Stützzustand eintritt, wird eine vergleichsweise große externe Kraft kurzzeitig auf den Roboter angewendet. Die imaginären Drehfederungen, welche zum Beispiel an drei Nickachsen bereitgestellt sind, können wirken, um einen großen Impuls, welcher kurzzeitig auf den Roboter angewendet wird, zu blockieren und dadurch eine Erschütterung zu absorbieren. Eine Rückstellkraft, mittels welcher die Federungen wieder in ihre ursprünglichen Zustände zurückgebracht werden, unterstützt den Träger, in seine/ihre ursprüngliche Haltung zurückzukehren, wodurch ein Energieverbrauch des Trägers reduziert wird.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zur Erläuterung offenbart wurden, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Modifikationen, Zusätze oder Substitutionen möglich sind ohne vom Umfang und Sinn der begleitenden Ansprüche abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2012-0121958 A [0004, 0006]
KR 10-1999-0059516 A [0005, 0006]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Robotergangs, aufweisend: Bilden (S200) einer imaginären Wand (200, 200') an einer Position in Abstand zu und außerhalb von Füßen des Roboters, wenn der Roboter in einem Zweibein-Stützzustand ist, kinematisch-kinetisches Berechnen (S210) einer Variation einer Distanz zwischen einem Roboterkörper und der imaginären Wand (200, 200') und einer Variation einer Geschwindigkeit des Roboterkörpers relativ zur imaginären Wand (200, 200') unter Verwendung eines Winkels (q1, q2) eines Gelenks und einer Länge (L1, L2) eines Verbindungsglieds des Roboters, Anwenden (S220) der Variation der Distanz und der Variation der Geschwindigkeit auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell (300, 300'), welches zwischen dem Roboterkörper und der imaginären Wand (200, 200') gebildet ist, und Berechnen einer imaginären Rektionskraft, welche am Roboterkörper erforderlich ist, und Umwandeln (S230) der berechneten Reaktionskraft in ein Antriebsdrehmoment, welches am Roboterkörper erforderlich ist, unter Verwendung einer Jacobi-Transponierten-Matrix.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die imaginäre Wand (200, 200') imaginäre Wände aufweist, welche jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Roboters und vor und hinter dem Roboter gebildet werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Roboter ein Fußgelenk (130), ein Kniegelenk (140) und ein Hüftgelenk (120) aufweist.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Umwandeln (S320) der berechneten Reaktionskraft und/oder der Stützkraft aufweist, wenn der Roboter in einem Einzelbein-Stützzustand ist, ein kinematisch-kinetisches Berechnen (S300) einer Variation einer Höhe zwischen einer Hüfte des Roboters und einer Sohle (100) von einem der Füße des Beins, das den Körper stützt, und ein kinematisch-kinetisches Berechnen (S300) einer Variation einer Geschwindigkeit der Hüfte relative zur Sohle (100), unter Verwendung eines Winkels (q1, q2) des Gelenks und der Länge (L1, L2) des Verbindungsglieds des Roboters.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das kinematisch-kinetische Berechnen (S300) der Variation der Höhe aufweist das Anwenden der Variation der Höhe und der Variation der Geschwindigkeit der Hüfte auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell (400), das zwischen der Hüfte und der Sohle (100) vorliegt, und das Berechnen (S310) einer imaginären Stützkraft, welche am Bein erforderlich ist, das den Roboterkörper stützt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Berechnen der imaginären Stützkraft aufweist das Umwandeln (S320) der berechneten Stützkraft in ein Antriebsdrehmoment, welches am Gelenk des Roboters erforderlich ist, unter Verwendung einer Jacobi-Transponierten-Matrix.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 und 4 bis 6, wobei der Roboter ein Nickbewegungsgelenk (122) aufweist, welches in einer Hüfte des Roboters bereitgestellt ist, wobei das Umwandeln (S320) der berechneten Reaktionskraft und/oder der Stützkraft aufweist ein Anwenden einer Variation eines Winkels (Q2) des Nickbewegungsgelenks (122) und einer Variation einer Winkelgeschwindigkeit des Nickbewegungsgelenks (122) auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell (600), das zwischen zwei Verbindungsgliedern (122a, 122b) vorliegt, die mittels des Nickbewegungsgelenks (122) miteinander verbunden sind, und ein Berechnen eines Nickdrehmoments (S330), welches am Nickbewegungsgelenk (122) erforderlich ist.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 und 4 bis 7, wobei der Roboter ein Rollbewegungsgelenk (124) aufweist, welches in einer Hüfte des Roboters bereitgestellt ist, wobei das Umwandeln (S320) der berechneten Reaktionskraft und/oder der Stützkraft aufweist ein Anwenden einer Variation eines Winkels (Q1) des Rollbewegungsgelenks (124) und einer Variation einer Winkelgeschwindigkeit des Rollbewegungsgelenks (124) auf ein imaginäres Feder-Dämpfer-Modell (500), das zwischen zwei Verbindungsgliedern (124a, 124b) vorliegt, die mittels des Rollbewegungsgelenks (124) miteinander verbunden sind, und ein Berechnen (S340) eines Rolldrehmoments, welches am Rollbewegungsgelenk (124) erforderlich ist.