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Advancing Musculoskeletal Robot Design for Dynamic and Energy-Efficient Bipedal Locomotion

Radkhah, Katayon :
Advancing Musculoskeletal Robot Design for Dynamic and Energy-Efficient Bipedal Locomotion.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Advancing Musculoskeletal Robot Design for Dynamic and Energy-Efficient Bipedal Locomotion
Language: English
Abstract:

Achieving bipedal robot locomotion performance that approaches human performance is a challenging research topic in the field of humanoid robotics, requiring interdisciplinary expertise from various disciplines, including neuroscience and biomechanics. Despite the remarkable results demonstrated by current humanoid robots---they can walk, stand, turn, climb stairs, carry a load, push a cart---the versatility, stability, and energy efficiency of humans have not yet been achieved. However, with robots entering our lives, whether in the workplace, in clinics, or in normal household environments, such improvements are increasingly important.

The current state of research in bipedal robot locomotion reveals that several groups have continuously demonstrated enhanced locomotion performance of the developed robots. But each of these groups has taken a unilateral approach and placed the focus on only one aspect, in order to achieve enhanced movement abilities;---for instance, the motion control and postural stability or the mechanical design. The neural and mechanical systems in human and animal locomotion, however, are strongly coupled and should therefore not be treated separately. Human-inspired musculoskeletal design of bipedal robots offers great potential for enhanced dynamic and energy-efficient locomotion but also imposes major challenges for motion planning and control.

In this thesis, we first present a detailed review of the problems related to achieving enhanced dynamic and energy-efficient bipedal locomotion, from various important perspectives, and examine the essential properties of the human locomotory apparatus. Subsequently, existing insights and approaches from biomechanics, to understand the neuromechanical motion apparatus, and from robotics, to develop more human-like robots that can move in our environment, are discussed in detail. These thorough investigations of the interrelated essential design decisions are used to develop a novel design for a musculoskeletal bipedal robot, BioBiped1, such that, in the long term, it is capable of realizing dynamic hopping, running, and walking motions. The BioBiped1 robot features a highly compliant tendon-driven actuation system that mimics key functionalities of the human lower limb system. In experiments, BioBiped1's locomotor function for the envisioned gaits is validated globally. It is shown that the robot is able to rebound passively, store and release energy, and actively push off from the ground. The proof of concept of BioBiped1's locomotor function, however, marks only the starting point for our investigations, since this novel design concept opens up a number of questions regarding the required design complexity for the envisioned motions and the appropriate motion generation and control concept.

For this purpose, a simulator specifically designed for the requirements of musculoskeletally actuated robotic systems, including sufficiently realistic ground reaction forces, is developed. It relies on object-oriented design and is based on a numerical solver, without model switching, to enable the analysis of impact peak forces and the simulation of flight phases. The developed library also contains the models of the actuated and passive mono- and biarticular elastic tendons and a penalty-based compliant contact model with nonlinear damping, to incorporate the collision, friction, and stiction forces occurring during ground contact. Using these components, the full multibody system (MBS) dynamics model is developed. To ensure a sufficiently similar behavior of the simulated and the real musculoskeletal robot, various measurements and parameter identifications for sub-models are performed. Finally, it is shown that the simulation model behaves similarly to the real robot platform.

The intelligent combination of actuated and passive mono- and biarticular tendons, imitating important human muscle groups, offers tremendous potential for improved locomotion performance but also requires a sophisticated concept for motion control of the robot. Therefore, a further contribution of this thesis is the development of a centralized, nonlinear model-based method for motion generation and control that utilizes the derived detailed dynamics models of the implemented actuators. The concept is used to realize both computer-generated hopping and human jogging motions. Additionally, the problem of appropriate motor-gear unit selection prior to the robot's construction is tackled, using this method.

The thesis concludes with a number of simulation studies in which several leg actuation designs are examined for their optimality with regard to systematically selected performance criteria. Furthermore, earlier paradoxical biomechanical findings about biarticular muscles in running are presented and, for the first time, investigated by detailed simulation of the motion dynamics. Exploring the Lombard paradox, a novel reduced and energy-efficient locomotion model without knee extensor has been simulated successfully.

The models and methods developed within this thesis, as well as the insights gained, are already being employed to develop future prototypes. In particular, the optimal dimensioning and setting of the actuators, including all mono- and biarticular muscle-tendon units, are based on the derived design guidelines and are extensively validated by means of the simulation models and the motion control method. These developments are expected to significantly enhance progress in the field of bipedal robot design and, in the long term, to drive improvements in rehabilitation for humans through an understanding of the neuromechanics underlying human walking and the application of this knowledge to the design of prosthetics.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Realisierung zweibeiniger Roboterfortbewegung mit der Leistungsfähigkeit, die der des Menschen nahekommt, stellt noch immer eine große Herausforderung im Forschungsgebiet der humanoiden Robotik dar und erfordert umfassende Fachkenntnisse in verschiedenen Disziplinen, einschließlich der Neurowissenschaften und Biomechanik. Obwohl gegenwärtige Laufroboter unter anderem gehen, stehen, sich drehen, Treppen aufsteigen und eine Last tragen können, ist die Vielseitigkeit, Stabilität und Energieeffizienz des Menschen noch unerreicht. Diese Kriterien sind aber umso wichtiger, je stärker Roboter Einzug in unser alltägliches Leben halten werden -- sowohl am Arbeitsplatz als auch in Krankenhäusern oder normalen häuslichen Umgebungen. Der heutige Stand der Forschung in zweibeiniger Roboterfortbewegung bringt einige schon länger bestehende Gruppen zum Vorschein, die zwar eine kontinuierlich verbesserte Fortbewegungsperformanz der entwickelten Roboter vorzeigen können, aber sich durch eine einseitige Vorgehensweise auszeichnen. Jede Gruppe hat bisher das Augenmerk auf nur einen für performantes Laufen bedeutenden Teilaspekt gelegt -- auf die Regelung und Stabilisierung der vorgesehenen Bewegung oder das mechanische Design. Das neuronale und mechanische System in Mensch und Tier sind jedoch bei der Fortbewegung stark aneinander gekoppelt und sollten daher nicht getrennt betrachtet werden. Ein vom Menschen inspiriertes Muskelskelettdesign eröffnet hierbei die Möglichkeit, größere Fortschritte bei der Umsetzung dynamischer und energieeffizienter Fortbewegung zu erzielen, stellt aber auch besondere Herausforderungen an die Bewegungsplanung und -regelung. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst aus den Blickwinkeln der relevanten Teildisziplinen die Herausforderung, zweibeinige Fortbewegung zu realisieren, analysiert. Zum einen werden die aus biomechanischer Sicht wesentlichen Eigenschaften des menschlichen Bewegungsapparates näher beleuchtet. Zum anderen werden die bisherigen Forschungsergebnisse und unterschiedlichen Herangehensweisen aus der Biomechanik, um den neuromechanischen Bewegungsapparat zu verstehen, und aus der Robotik, um menschenähnlichere Roboter zu entwickeln, die sich in unserem Umfeld bewegen, detailliert beschrieben. Die aus dieser Untersuchung erzielten Erkenntnisse werden genutzt, um ein neuartiges Design für den zweibeinigen Muskelskelettroboter BioBiped1 zu entwerfen, der in der Lage ist, langfristig dynamische und energieeffiziente Bewegungen auszuführen. Das Design zeichnet sich durch einen hochkomplexen elastischen Aktuierungsapparat aus, der auf wichtigen Eigenschaften des menschlichen Bewegungsapparates basiert. In Experimenten werden zunächst die zentralen Funktionalitäten des motorischen Bewegungsapparates des Roboters für die angestrebten Gangarten untersucht. Es kann gezeigt werden, dass der Roboter in der Lage ist vom Boden passiv abzuprallen, Energie zu speichern und freizusetzen und sich aktiv vom Boden abzustoßen. Dieser Konzeptnachweis für die motorische Bewegungsfunktion von BioBiped1 markiert jedoch nur den Startpunkt für die weiteren Untersuchungen, denn dieses neuartige Designkonzept wirft zahlreiche fundamentale Fragen bezüglich der nötigen Designkomplexität für die geplanten Bewegungen und des entsprechenden Verfahrens zur Bewegungsplanung und -ausführung auf. Daher wird ein Simulator speziell für die Anforderungen elastisch aktuierter Roboter mit realistischen Bodenkontaktkräften entwickelt. Er basiert auf objektorientiertem Design und einem numerischem Integrationsverfahren mit einheitlichem Modell, um Aufprallkräfte analysieren und Flugphasen simulieren zu können. Die enthaltene Bibliothek umfasst unter anderem sowohl die Modelle der aktuierten und der passiven, mono- und biartikulären elastischen Seilzüge als auch ein elastisches Kontaktmodell mit nichtlinearer Dämpfung, um die während eines Kontaktes auftretenden Kollisions-, Reibungs- und Haftungskräfte berücksichtigen zu können. Mithilfe dieser Bausteine wird das vollständige Dynamikmodell des BioBiped1-Mehrkörpersystems erstellt. Damit ein ausreichend übereinstimmendes Verhalten der simulierten und realen Roboterplattform gewährleistet ist, werden zusätzlich unterschiedliche Messungen und Parameteridentifikationen für Teilmodelle durchgeführt. Das Verhalten des Kontakt- und des vollständigen Robotermodells werden abschließend anhand von Experimenten an der Roboterplattform validiert. Die intelligente Integration von menschenähnlichen Muskelsehnenfunktionalitäten verspricht von bedeutendem Vorteil für die optimale Koordinierung und Aktuierung der Beingelenke zu sein, stellt jedoch auch eine große Herausforderung für die Bewegungserzeugung und -regelung dar. Daher besteht ein weiterer wichtiger Beitrag der Arbeit in der Entwicklung eines zentralen nichtlinearen modellbasierten Ansatzes, der die zuvor hergeleiteten detaillierten Dynamikmodelle der implementierten Aktuatoren verwendet, um Steuerung und Regelung in einem geeigneten Maße zu kombinieren. Mithilfe dieses Konzepts gelingt es, sowohl computergenerierte eindimensionale Hüpf- als auch menschliche zweidimensionale Joggingbewegungen auszuführen. Das Verfahren wird auch eingesetzt, um das Problem der geeigneten Motorgetriebewahl im Vorfeld der Roboterkonstruktion in den Griff zu bekommen. Die Arbeit schließt mit einer Anzahl von Simulationsstudien ab, in denen unterschiedliche Auslegungen der Beinaktuierung auf ihre Optimalität bezüglich zuvor sorgfältig ausgewählter Performanzkriterien geprüft werden. Ferner werden frühere paradoxe biomechanische Erkenntnisse zu biartikulären Muskeln beim Rennen wiederentdeckt und erstmals mithilfe detaillierter Simulation der Bewegungsdynamik untersucht. Damit kann durch die Anwendung des Lombard-Paradoxons ein neuartiges reduziertes und energieeffizientes Bewegungsmodell ohne aktiven Kniestrecker entwickelt werden. Die in dieser Arbeit entwickelten Modelle, Methoden und gewonnenen Erkenntnisse werden bereits zur Entwicklung zukünftiger Prototypen eingesetzt. Insbesondere die optimierte Auslegung und Einstellung der Aktuatorik, einschließlich aller mono- und biartikulärer Seilzüge, basieren auf den abgeleiteten Entwurfsrichtlinien und sind anhand der Simulationsmodelle und des Bewegungserzeugungsverfahrens eingehend geprüft worden. Es wird erwartet, dass diese Entwicklungen den Fortschritt im Forschungsbereich des zweibeinigen Roboterdesigns maßgeblich beschleunigen werden und auf lange Sicht auch zum Vorteil des Menschen in der Rehabilitation eingesetzt werden können, um einerseits die verschiedenen Kontrollprozesse für unsere Laufbewegungen zu verstehen und andererseits die Weiterentwicklung von Prothesen voranzutreiben. German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Musculoskeletal robot design, compliant tendon-driven actuation, mono- and biarticular muscle-tendon units, multibody system dynamics simulation, bipedal robot locomotion, motion control, locomotion performance, energy consumption
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Muskelskelettroboterdesign, nachgiebige Seilzugaktuierung, mono- und biartikuläre Muskelsehneneinheiten, Mehrkörpersystemdynamiksimulation, zweibeinige Roboterfortbewegung, Bewegungsregelung, Fortbewegungsperformanz, EnergieverbrauchGerman
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Simulation, Systems Optimization and Robotics Group
Date Deposited: 11 Jun 2014 06:43
Last Modified: 11 Jun 2014 06:43
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39341
Referees: von Stryk, Prof. Dr. Oskar and Hosoda, Prof. Koh
Refereed: 18 June 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3934
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