Lehrstuhl Robotersysteme

CARL

the Complaint Robotic Leg

Beschreibung

Dieser Forschungszweig verfolgt die Idee die biologisch motivierte verhaltensbasierte Steuerung für dynamisches zweibeiniges Laufen (B4LC) von der Simulation auf ein physikalisches System zu übertragen. Die Anforderungen an einen Prototpyne wurden von den in der Simulation gemachten Erfahrungen abgeleitet. Um einen natürlich wirkenden und energieeffizienten zweibeinigen Gang zu erzeugen ist eines der zentralen Konzepte von B4LC das Ausnutzen der passiven Dynamik des zugrundeliegenden Systems. Deshalb sollte eine prototypische Platform den Menschen so gut als möglich nachahmen - d.h. bzgl. der Antriebstechnick, des kinematischen Layouts und der Massenverteilung.

Als erste Iteration wurde ein nachgiebiges Roboterbein (CARL) entwickelt. Das Roboterbein ist planar und integriert sowohl mono- als auch biartikuläre Antriebseinheiten. Da die Antriebe eine Schlüsselkomponente darstellen, wurde eine Reihe von linearen seriel-elastischen Antrieben - die RRLab SEAs - entwickelt. Die Entwicklung wurde hauptsächlich von zwei Anforderungen getrieben: die Antrieben müssen in der Lage sein gewünschte Kräfte und Impedanzen zu erzeugen und robust gegenüber Stößen sein. Jeder RRLab SEA wird von einem dedizierten FPGA-basierten eingebetteten System geregelt. Weitere Informationen sind unter obigem Link zu finden.

In der Beinstruktur erzeugen die SEAs über direkte Hebel oder indirekte Hebelmechanismen Drehmomente in den Gelenken. Dadurch entsteht ein System, in welchem alle fünf Antriebe gekoppelt sind. Inspiriert durch die wissenschaftliche Erkentniss, dass Menschen mit Amputation in der Lage durch ein Kombination von kommerziellen Prothesen und einem SEA ein natürliches Gangbild zu erzeugen, wurde eine solche Prothese in das Bein integriert.

Um die Evaulierung des Beins in einer Laufbewegung zu ermöglichen, wurde ein Teststand entwickelt. Dieser besteht aus einem Laufband und einem Hebemechanismus. Speziell letzteres ist wichtig um das zweite "virtuelle" Bein zu simulieren.

Nachem die unter Regelungsebenen - Kraft- und Impedanzregelung - im Gesamtsystem validiert wurden, konnte bereits eine erste Laufbewegung generiert werden. Dafür wurde ein Subsystem von B4LC auf das Bein portiert.

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Veröffentlichungen

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  • FPGA-based Embedded System Designed for the Deployment in the Compliant Robotic Leg CARL.
    Steffen Schütz, Atabak Nejadfard, Max Reichardt und Karsten Berns
    Proceedings of the 16th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics - Volume 2, S. 537 - 543. (2019)
  • Coordination of the Biarticular Actuators Based on Instant Power in an Explosive Jump Experiment.
    Atabak Nejadfard, Steffen Schütz, Patrick Vonwirth, Krzysztof Mianowski und Karsten Berns
    IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), (2018)
  • Moment Arm Analysis of the Biarticular Actuators in Compliant Robotic Leg CARL.
    Atabak Nejadfard, Steffen Schütz, Patrick Vonwirth, Krzysztof Mianowski und Berns Karsten
    Conference on Biomimetic and Biohybrid Systems, S. 348 - 360. (2018)
  • CARL – A Compliant Robotic Leg Featuring Mono- and Biarticular Actuation.
    Steffen Schütz, Atabak Nejadfard, Krzysztof Mianowski, Patrick Vonwirth und Karsten Berns
    IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, S. 289 - 296. (2017)
  • Modular Control Architecture for Bipedal Walking on a Single Compliant Leg.
    Patrick Vonwirth
    (2017)
  • Off-Road Path Detection Using Convolutional Neural Networks.
    Carlos Saavedra
    (2017)

 

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