Sturzvermeidung von zweibeinigen Robotern durch reflexartige Reaktionen

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1 Sturzvermeidung von zweibeinigen Robotern durch reflexartige Reaktionen Oliver Höhn Appelstr. 11, Hannover

2 Page: 2 Gliederung Motivation Falluntersuchungen Sensorik Schrittreaktion Zusammenfassung und Ausblick

3 Page: 3 Motivation Warum Falluntersuchungen bei Robotern? Prognose für Serviceroboter Bis 2005 wird der Einsatz von 2.2 Mio. Servicerobotern erwartet Serviceroboter haben mit einem Marktanteil von 2.5 Mrd. $ mit Industrierobotern gleichgezogen Stürze beim Menschen Jährlich stürzen 2.5 Mio. Menschen in deutschen Haushalten Durch Stürze entstehen jährliche Kosten von 8 Mrd.

4 Page: 4 Falluntersuchungen Fragestellungen Wie lassen sich Stürze erkennen? Welche Reaktionen können einen Fall verhindern? Wodurch kann der Schaden bei einem Sturz minimiert werden? Sturzvermeidung durch einen reflexartigen Schritt Reaktion 1 Reaktion 2 Detektion Klassifikation Entscheidung Schritt Exekution

5 Page: 5 Falluntersuchungen Laufroboter BARt Gewicht 25 kg, ca. 80 cm groß 3 aktive Freiheitsgrade pro Bein Bewegung auf sagittale Ebene beschränkt DC-Motoren mit Harmonic Drive Getrieben Statisch und dynamisch stabiler Gang, kann Treppen steigen Motorola MPC555 Mikrocontroller RTOS-UH als Echtzeitbetriebssystem Software fast ausschließlich in PEARL Operiert bis zu 30 min. vollständig autonom BARt (Bipedal Autonomous Robot)

6 Page: 6 Falluntersuchungen Versuchsaufbau Auslagerung der Elektronik-Komponenten Sicherung des Roboters mit Seilen Stoßgewicht (2.7 kg) dient zum Einleiten reproduzierbarer Impulse Kennzahlen Übertragene Impulse: bis zu 9 kg m/s Stoßzahl: ca. 0,5 Kippwinkelgeschwindigkeiten: um 60 /s Typ. Stoßdauer: ms Nötige Reaktionszeiten: ca. 0,5 s BARt (Bipedal Autonomous Robot)

7 Page: 7 Falluntersuchungen

8 Page: 8 Sensorik Kraftsensoren Kraftsensoren Beschleunigungs-Sensoren Neigungssensor

9 Page: 9 Sensorik Kraftsensoren CoP bei einem Stoß von 4 [kg m/s] Vier Wägezellen pro Fuß Nennlast je Sensor: 40 kg Wandlung der Sensordaten in PWM-Signale Auswertung mit der TPU Bestimmung des Druckpunktes (CoP) unter dem Fuß Position (Ferse-Spitze) Stoßbeginn Zeit [s]

10 Page: 10 Sensorik Beschleunigungs-Sensoren Kraftsensoren Beschleunigungs-Sensoren Neigungssensor

11 Page: 11 Sensorik Beschleunigungs-Sensoren Sensoren: ADXL 202 bzw. 210 Messbereich von 2g bzw. 10g Messen der Torsobeschleunigung Ermitteln des Fuß-Winkels Beschleunigungswert wird als PWM übertragen Auswerten der Signale mit der TPU Beschleunigung [m/s²] Torso-Beschleunigung leichte Dämpfung stärkere Dämpfung Zeit [ms]

12 Page: 12 Sensorik Neigungssensor Kraftsensoren Beschleunigungs-Sensoren Neigungssensor

13 Page: 13 Sensorik Neigungssensor Messung mit Präzisions- Potentiometer 12 bit A/D-Wandler Serielle Anbindung an QSPI lh Winkelgeschwindigkeit [ /s] Phasenportrait lv Kippwinkel [ ]

14 Page: 14 Sensorik Ergebnisse Kippgeschwindigkeit mit CoP nicht zu bestimmen Zuverlässige Ermittlung der Torsogeschwindigkeit durch Beschleunigungssensoren Neigungssensor ermöglicht genaue Zustandsbestimmung CoP ist notwendiges Kriterium zur Schrittausführung Reflexauswahl durch Informationen von Beschleunigungs- und Neigungssensor Detektionszeit typ. 80 ms

15 Page: 15 Schrittreaktion Bahnplanung Vereinfachtes Ersatzmodell 3 Freiheitsgrade, 2 aktiv 2 konzentrierte Massen Torso 20 kg Fuß 5 kg Erzeugung der Bewegungsgleichungen über LaGrange Bewegungssimulation mit Matlab/Simulink Trajektorien werden mit Gütefunktion bewertet Optimierung durch Simplex-Algorithmus

16 Page: 16 Schrittreaktion Bahnplanung Schritt-Trajektorie Schritt-Dauer y [cm] F Schrittdauer [s] 0,7 0, x F [cm] 0, Kipp-Winkelgeschwindigkeit [ /s]

17 Page: 17 Schrittreaktion Simulierter Ausfallschritt

18 Page: 18 Schrittreaktion Reaktion bei einem Stoß

19 Page: 19 Schrittreaktion Reaktion bei einem leichten Schieben

20 Page: 20 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Zustandsdetektion nach einem Stoß sehr zuverlässig Stabilisierung des Roboters gelingt bei Stößen von bis zu 8 kg m/s Seitliches Kippen kann nicht aktiv verhindert werden Ausblick Ersetzen des Neigungssensors durch einen Drehratensensor Untersuchung von Reaktionen bei Robotern mit mehr Freiheitsgraden Dipl.-Ing. Oliver Höhn, hoehn@irt.uni-hannover.de