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Bioinspired template-based control of legged locomotion

Ahmad Sharbafi, Maziar :
Bioinspired template-based control of legged locomotion.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bioinspired template-based control of legged locomotion
Language: English
Abstract:

cient and robust locomotion is a crucial condition for the more extensive use of legged robots in real world applications. In that respect, robots can learn from animals, if the principles underlying locomotion in biological legged systems can be transferred to their artificial counterparts. However, legged locomotion in biological systems is a complex and not fully understood problem. A great progress to simplify understanding locomotion dynamics and control was made by introducing simple models, coined ``templates'', able to represent the overall dynamics of animal (including human) gaits. One of the most recognized models is the spring-loaded inverted pendulum (SLIP) which consists of a point mass atop a massless spring. This model provides a good description of human gaits, such as walking, hopping and running. Despite its high level of abstraction, it supported and inspired the development of successful legged robots and was used as explicit targets for control, over the years.

Inspired from template models explaining biological locomotory systems and Raibert's pioneering legged robots, locomotion can be realized by basic subfunctions: (i) stance leg function, (ii) leg swinging and (iii) balancing. Combinations of these three subfunctions can generate different gaits with diverse properties. Using the template models, we investigate how locomotor subfunctions contribute to stabilize different gaits (hopping, running and walking) in different conditions (e.g., speeds). We show that such basic analysis on human locomotion using conceptual models can result in developing new methods in design and control of legged systems like humanoid robots and assistive devices (exoskeletons, orthoses and prostheses).

This thesis comprises research in different disciplines: biomechanics, robotics and control. These disciplines are required to do human experiments and data analysis, modeling of locomotory systems, and implementation on robots and an exoskeleton. We benefited from facilities and experiments performed in the Lauflabor locomotion laboratory. Modeling includes two categories: conceptual (template-based, e.g. SLIP) models and detailed models (with segmented legs, masses/inertias). Using the BioBiped series of robots (and the detailed BioBiped MBS models; MBS stands for Multi-Body-System), we have implemented newly-developed design and control methods related to the concept of locomotor subfunctions on either MBS models or on the robot directly. In addition, with involvement in BALANCE project (\url{http://balance-fp7.eu/}), we implemented balance-related control approaches on an exoskeleton to demonstrate their performance in human walking. The outcomes of this research includes developing new conceptual models of legged locomotion, analysis of human locomotion based on the newly developed models following the locomotor subfunction trilogy, developing methods to benefit from the models in design and control of robots and exoskeletons. The main contribution of this work is providing a novel approach for modular control of legged locomotion. With this approach we can identify the relation between different locomotor subfunctions e.g., between balance and stance (using stance force for tuning balance control) or balance and swing (two joint hip muscles can support the swing leg control relating it to the upper body posture) and implement the concept of modular control based on locomotor subfunctions with a limited exchange of sensory information on several hardware platforms (legged robots, exoskeleton).

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Fähigkeit effizient und robust zu laufen ist eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung und Nut- zung von Laufrobotern in realen Umgebungen. Hier können Roboter von Tieren lernen, indem die der Lokomotion zugrundeliegenden Prinzipien in die künstlichen Laufsysteme übertragen werden. Jedoch ist die pedale Lokomotion in biologischen Systemen komplex und noch nicht vollständig verstanden. Ein wichtiger Fortschritt ist dabei die Vereinfachung der Lokomotionsdynamik und -kontrolle (im Sinne von Regelung und Steuerung) durch die Einführung einfacher Modelle, welche als template bezeichnet wer- den. Diese beschreiben die generelle Dynamik des Gangs von Tieren (und auch von Menschen). Eines der bekanntesten Modelle ist das Masse Feder Modell (spring-loaded inverted pendulum, SLIP) welches eine Punktmasse über einer masselosen Feder repräsentiert. Dieses Modell liefert eine gute Beschrei- bung menschlicher Gangformen wie Gehen, Hüpfen und Rennen. Trotz seinem hohen Abstraktionsgrad hat es die Entwicklung von erfolgreichen Laufmaschinen unterstützt und inspiriert und war ein gezielte Vorlage für Kontrollansätzen in den vergangenen Jahren. Inspiriert von den Template-Modellen zur Beschreibung von biologischen Laufsystemen und den bei- spielgebenden Laufrobotern von Marc Raibert, ist es möglich die pedale Lokomotion in Grund- funktion umzusetzen: (i) Standbeinfunktion, (2) Schwungbeinfunktion, und (iii) Balance im Sinne von posturalem Gleichgewicht. Kombinationen dieser drei Grundfunktionen ermöglichen die Erzeugung unterschiedli- cher Gangarten mit verschiedenartigen Eigenschaften. Mithilfe der Templatemodelle untersuchen wir, wie die lokomotorischen Grundfunktionen zur Stabilisierung verschiedener Gangarten (Hüpfen, Rennen und Gehen) in verschiedenen Bedingungen (z.B. Geschwindigkeit) beitragen. Wir zeigen, dass diese grundlegenden Analysen der menschlichen Lokomotion mithilfe von konzeptionellen Modellen in die Entwicklung neuer Methoden für das Desing und die Kontrolle von Laufsystemene wie humanoide Ro- boter und Assistenzsysteme (Exoskelette, Orthesen, und Prothesen) einfließen können. Diese Promotionsschrift umfasst verschiedene Forschungsfelder: Biomechanik, Robotik und Kontrol- lansätze (d.h. Regelungs- und Steuerungsansätze). Die Arbeiten umfassen Experimente mit Menschen, Datenanalyse, Modellierung von Laufsystemen und die Umsetzung in Robotern und Exoskeletten. Da- bei konnten wir von den Einrichtungen und Experimenten am Lauflabor profitieren. Die Modellierung umfasst zwei Kategorien: konzeptuelle Modelle (Template-basiert, z.B. SLIP) und detaillierte Modelle (mit segmentierten Beinen, Massen und Trägheiten). Mithilfe der BioBiped Roboter Generationen (und den detaillierten MBS Modellen, MBS steht für Multi-Body-System) haben wir die neu entwickelten Design und Kontrollmethoden mit Bezug zum Konzept der lokomotorischen Grundfunktionen entweder im MBS Modell oder direkt am Roboter umgesetzt. Zusätzlich haben wir im Rahmen des BALANCE Projekts (http://balance-fp7.eu/) Kontrollansätze auf einem Exoskelett implementiert und deren Wirkungsweise beim menschlichen Gehen demonstriert. Die Ergebnisse dieser Forschung beinhalten neue konzeptuelle Modelle für Laufbewegungen, die Analyse menschlicher Laufbewegungen basierend auf diesen neu entwickelten Modellen im Sinne der Trilogie der lokomotorischen Grundfunktionen, und die Entwicklung von Methoden, um die Modelle in das Design und die Kontrolle von Robotern und Exoskeletten zu übertragen. Als wichtigsten Beitrag liefert diese Arbeit einen neuen Ansatz für die modulare Kontrolle von Lauf- bewegungen. Mit diesem Ansatz können Beziehungen zwischen den lokomotorischen Grundfunktionen hergestellt werden, z.B. zwischen Balance und Standfunktion (Nutzung von Stützkräften im Stand für die Abstimmung der Balance-Kontrolle) oder Balance und Schwungbeinfunktion (zweigelenkige Hüftmus- keln können die Schwungbeinkontrolle und die posturale Balance des Oberkörpers unterstützen). Damit kann das Konzept der modularen Kontrolle basierend auf den lokomotorischen Grundfunktionen mit ei- nem beschränkten Austausch von sensorischen Informationen auf verschiedenen Hardwareplattformen (Laufroboter, Exoskelett) implementiert werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 03 Department Human Sciences > Institut für Sportwissenschaft > Sportbiomechanik
Date Deposited: 01 Feb 2018 13:46
Last Modified: 01 Feb 2018 13:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-72260
Referees: Seyfarth, Prof. Dr. Andre and Full, Prof. Dr. Robert and Kim, Prof. Dr. Sangbae and Peters, Prof. Dr. Jan
Refereed: 15 August 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7226
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