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Open Access
November 15, 2012
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November 15, 2012
Abstract
As robots are becoming increasingly powerful and consequently potentially capable of reproducing human-like movements and interactions, the question appears how these motor skills found in biology could be transferred to the technical system. Such a transfer of biological movements to robots also offers the chance to question and to improve our understanding of the underlying principles on how movements are organized in nature. For this, a new conceptual framework, a test trilogy comparing human, simulation, and robot behavior will be presented and demonstrated exemplary. Zusammenfassung Mit der Entwicklung immer leistungsfähigerer Roboter können potentiell auch menschenähnlichere Bewegungen und Interaktionen realisiert werden. Dabei stellt sich die Frage, wie diese motorischen Fähigkeiten auf ein technisches System übertragen werden können. Eine solche Übertragung von biologischen Bewegungen auf Roboter eröffnet dabei auch die Möglichkeit, das Verständnis der zugrundeliegenden Prinzipien von Bewegungen in der Natur zu hinterfragen und zu verbessern. Hierfür wird ein neuer konzeptioneller Ansatz, eine Testtrilogie als Verhaltensvergleich von Mensch, Modell und Roboter, vorgestellt und am Beispiel demonstriert.
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November 15, 2012
Abstract
One key issue in developing walking machines lies in stabilizing the machine during gait. Hexapods are capable of guaranteeing static stability all the time whereas quadrupeds are only able to guarantee this during special gait patterns. Bipeds have to rely on dynamic stability if they want to perform locomotion tasks. The work in this paper is based on gait studies of amputated test subjects who are still able to walk in stable gait patterns, despite of their passive prostheses. To transfer this concept to walking machines, a new biped demonstrator with an artificial spine is introduced. The hip joints and the spine are actuated pneumatically, whereas the knees and feet are off-the-shelf passive prosthetic devices. The mid-term goal is the development of bipedal, underactuated, light-weight, and energy-efficient robots. Apart from the hardware design, the motion generation, which is based on biologically inspired central pattern generators, is described. In addition to that the experimental results and their evaluation are discussed.
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November 15, 2012
Abstract
This paper describes an approach to controlling redundant biped robots. A hierarchichal control system generates biped walking in real-time from simple high-level commands. The stabilizing control compensates modelling errors and external forces and allows the robot to walk over uneven terrain. Both the required joint speeds and the risk of slipping are minimized by exploiting redundant degrees of freedom. We also briefly describe our biped robot Lola used in the experimental results outlined at the end of the article.
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November 15, 2012
Abstract
In the broader context of quadrupedal locomotion, this overview article introduces and compares two platforms that are similar in structure, size, and morphology, yet differ greatly in their concept of actuation. The first, ALoF, is a classically stiff actuated robot that is controlled kinematically, while the second, Starl ETH , uses a soft actuation scheme based on Changedhighly compliant series elastic actuators. We show how this conceptual difference influences design and control of the robots, compare the hardware of the two systems, and show exemplary their advantages in different applications. Zusammenfassung Der vorliegende Beitrag vergleicht zwei Laufroboter, die sich in Hinblick auf Struktur, Größe und Morphologie stark ähneln, jedoch im Antriebskonzept klar unterscheiden. Während es sich beim ersten System, ALoF, um einen klassisch angetriebenen Roboter handelt der kinematisch geregelt wird, besitzt der zweite Roboter, Starl ETH , Federelemente im Antriebsstrang. Diese ermöglichen eine weiche, kraftgeregelte Aktuierung. Der Beitrag zeigt wie dieser Unterschied Design und Regelung der Roboter beeinflusst, vergleicht die Hardware und erläutert Vor- und Nachteile in verschiedenen Anwendungsfällen.
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November 15, 2012
Abstract
This article describes an approach for the universal use of the Capture Point dynamics for bipedal walking control. The controller focuses on the stabilization of the unstable part of the center of mass dynamics. All needed steps, from the generation of a Capture Point reference trajectory for given footprints up to the tracking of this reference trajectory, are described in detail. The Capture Point controller is extended to more general models, strongly deviating from the Linear Inverted Pendulum model, so that walking with varying center of mass height and over varying floor height is achieved. The proposed control approach was verified in simulations and experiments.
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November 15, 2012
Abstract
In this paper we propose a framework of realtime whole-body human motion imitation for humanoid robots. The approach starts with a kinematic mapping in combination with a balancing algorithm in order to ensure the dynamic constraints during different stance phases. In order to compensate for time delays in the imitation, which emerge from the required weight transfer before stance changes, we apply a machine learning approach based on Hidden Markov Models and Gaussian Regression. Once locomotion primitives are learned from demonstrations, the robot can recognize human´s current locomotion state and predict future trajectories. The proposed approaches are implemented and evaluated using a small humanoid robot NAO. Zusammenfassung Im vorliegenden Beitrag stellen wir ein System für die Imitation menschlicher Gesamtkörperbewegungen durch einen humanoiden Roboter vor. Wir beginnen mit einer kinematischen Abbildung in Kombination mit einem Abgleich-Algorithmus, um die dynamische Stabilität während unterschiedlicher Standphasen sicherzustellen. Um Zeitverzögerungen zu minimieren, die durch erforderliche Gewichtsverlagerungen vor einer Haltungsänderung entstehen, wenden wir eine Methode des maschinellen Lernens an, die auf HMMs und Gauß-Regression beruht. Nachdem die Bewegungs-Primitive aus Demonstrationen gelernt wurden, kann der Roboter den aktuellen Bewegungszustand des Menschen erkennen und zukünftige Trajektorien vorhersagen. Die vorgeschlagenen Verfahren werden auf einem kleinen humanoiden NAO-Roboter implementiert und evaluiert.
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November 15, 2012
Abstract
Avoiding falls is a challenge for many persons in aging societies, and balance dysfunction is a major risk factor. Robotic solutions to assist human gait, however, focus on average kinematics, and less on instantaneous balance reactions. We propose a controller that only intervenes when needed, and that avoids stability issues when interacting with humans: Assistance is triggered only when balance is lost, and this action is purely feed-forward. Experiments show that subjects who start falling during gait can be uprighted by such feed-forward assistive forces. Zusammenfassung Sturzvermeidung ist eine ständige Herausforderung für viele Menschen in alternden Gesellschaften, und Gleichgewichtsprobleme stellen ein bedeutendes Risiko für einen Sturz dar. Heutige robotische Lösungen zur Unterstützung des menschlichen Gangs sind allerdings hauptsächlich auf das gemittelte Gangbild ausgerichtet und weniger auf instantane Gleichgewichtsreaktionen. Wir schlagen hier einen Regler vor, der nur dann interveniert, wenn nötig, und der keine Stabilitätsprobleme verursacht, wenn er mit dem Menschen interagiert: Stellgrößen werden erst dann generiert, wenn der Mensch das Gleichgewicht verliert, und diese Unterstützung fungiert als reine Vorsteuerung. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass menschliche Probanden, die während des Gehens zu fallen beginnen, durch solche unterstützenden, vorgesteuerten Kräfte in eine aufrechte Haltung gebracht werden können.
