2.6. Humanoid robotok szerkezeti kialakítása

A mozgások megvalósításának összetevői

2.6.1. A mechanizmus

Humanoid robot szerkezet irányzatok:

  • hagyományos ipari robotoknál alkalmazott mechanikus szerkezetek finomított változatai

  • biomechanikai építőelemek, pl. modellezett csontváz, mesterséges izom alkalmazása.

    Mesterséges izom

    Elektroaktív polimer: elektromos töltés hatására összeugrik

 

A mesterséges izmok egy másik típusánál az üzemanyag kémiai energiája hővé alakul egy, a levegővel bekövetezett katalitikus reakció hatására. A kapott hőmérsékletnövekedés hatására az úgynevezett "lerövidített üzemanyag cella izomzatnál" alkalmazott alakemlékező fém izomdrótok összerándulnak. A működési ciklust az ezt követő hűtés teszi teljessé az izom elernyesztésével.

Alakemlékező fémmel működő műizom

FESTO gyártmányú pneumatikus műizom

 
 -- Szuperizmokat kaphatnak a robotok

További műizom-kutatások eredményeiről lásd: [bib.zrinyi]

A humanoid robotok bonyolult, összetett szerkezetek:

Humanoid robot és összetett szerkezete

Egy 7 szabadságfokú láb szerkezete, a meghajtómotorok által leadott teljesítményekkel és a hullámhajtóművekkel látható az alábbi ábrán. A szervomotorok, melyek egybe vannak építve a szöghelyzetmérő jeladóval (encoder), bordázott ékszíjjal adják át a hajtást a hullámhajtóművek hullámgenerátorának. Az önzáró hullámhajtóművek a szervomotor 6000-10000 fordulat/perc fordulatszámát csökkentik le 20-100 fordulat/perc közötti értékre. A nyomatékot 100-300 szorosára növeli. A hullámhajtóművek áttétele 1:160, kivéve a csípő hajlítást, ahol 1:120. Ehhez jön még a szíjáttétel közel 1:2 lassító hatása. A hullámhajtóművek ideálisak a feladat ellátására, hagyományos hajtóművek alkalmatlanok a nagy súlyuk és a holtjáték miatt. A hullámgenerátor csapágya igazodik a hullámgenerátorhoz belső gyűrűjének ovális alakjával és rugalmas külső gyűrűjével.

A láb felépítése

A combcsukló 3 szabadságfoka közül kettő:

A combcsukló mechanikája

Ovális hullámgenerátor a rugalmas külsőgyűrűjű golyóscsapággyal, a rugalmas pohár-fogaskerékkel és a belsőfogazású gyűrűkerék

A szervohajtás modul feladata a hullámhajtóműveket meghajtó szervomotorok elektromos jelének előállítása. Elvárás a kicsi, kompakt méret, kiszögellésekkel együtt H = 15mm-nél nem nagyobb vastagság, a nagyon nagy csúcsáramok – közel 20 Amper! – leadása, és két tengely egyidejű szabályozása.

Szervohajtás modul

2.6.2. Szenzorok

A szenzorok feladata a testhelyzet geometriai jellemzőinek, a gyorsulásoknak és a robot és a környezet közötti kapcsolatnak, érintkezésnek a mérése, észlelése, ezek alapján jelek generálása a szabályzó áramköröknek. A testhelyzet szenzorok között szervomotor jeladókat (encoderek), gyorsulásmérőket és giroszkópot találunk. A szervomotor jeladók szolgáltatják a csuklók szögértékére vonatkozó információt, a gyorsulásmérők a testrészek lineáris gyorsulását mérik. Ügyelni kell a hőmérsékletváltozás miatti elmászások figyelembevételére is. A giroszkópok, pörgettyűk felelősek a globális környezeti irányok megadására, amihez képest tudja viszonyítani helyzetét a robot, a szögsebességek mérésével. A giroszkópok elmászás miatti felhalmozódó hibája külön figyelmet igényel.

Honeywell gyártmányú gyorsulásmérő (B. Favre-Bulle, 2005) és LISY300AL típusú giroszkóp

A robot a környezettel legtöbbet a talpával érintkezik. A talpon fellépő erők ismerete elengedhetetlen a dinamikus testmozgások – járás, futás, stb. – közbeni egyensúlyozás kivitelezésére. A robotok durva talajfogásakor fellépő erős igényevételeket a bokában alkalmazott rugalmas tagok, gumibélések tompítják.

Erőszenzor és beépítése a bokába

Sztereo kamerák szolgáltatják a környezet látványát a felismeréshez, tájékozódáshoz.

A robot látórendszere

A robot hallását a fejbe szerelt mikrofonok biztosítják.

2.6.3. Mozgás tervezés

2.6.3.1. Lábak tervezése

A lábak és a felsőtest tervezése és kísérletei egymástól elkülönülve, párhuzamosan végezhetők.

2.6.3.2. A csuklók mozgástartományának megtervezése

A csuklók mozgástartományát pálcikaemberrel végzett grafikus szimulációk alapján határozták meg. A következő mozgásokat modellezték: Leülés a földre, leülés egy székre, statikus egyensúlyú járás, lépcsőjárás fel- és le irányban. Példát az alábbi ábra mutat.

Lépcsőjárás modellezése

A különféle mozgások elemzésével kialakultak az egyes csuklók szélső értékei. Pl. a csípő hajlító izületre -135 foktól +42 fokig terjedő szögtartomány adódott, az alábbi ábrán adott mozgások figyelembevételével.

A csuklók mozgástartományának behatárolása

A terpesztő tengelyek és a csavaró tengely esetére az oldalra lépő mozgások elemzéséből adódott értékek a következők:

A pálcikaember modell a láb csuklóival

A járás dinamikus szimulációját a test tömegközéppontját és tömegértékét pontosan visszaadó egyszerű törzset tartalmazó kétláb-mechanizmussal végezték, először cask számítógépen modellezve a mozgást.

Dinamikus járásszimuláció

A lábkonstrukció a HRP-2L humanoid robotnál a következő, valódi emberhez közelálló méretekkel bír (ez a konstrukció nem modellezte a lábfej hajlítást):

A láb méretei

A kísérleti lábakkal a próbasétálásokat egy görgőkön a robotot kísérő felfüggesztőkeret védelmében végzik, hogy elkerüljék a gyakori elesésből eredő károsodásokat.

A láb és a guruló felfüggesztőkeret

2.6.3.3. A felsőtest megtervezése

A felsőtest megtervezésének lépései hasonlóak a lábak megtervezéséhez. Az állványra szerelt felsőtesttel végzett kísérlet látható az ábrán.

A kezek tesztelése

Az elkészült HRP2-2P mechanikus szerkezet látható az ábrán.

A robot fő jellemzői

2.6.4. Vezérlés

A humanoid robot egy vezérelt, pontosabban szabályozott berendezés. Olyan többvégtagos szerkezet, amely nincs a környezethez rögzítve, mozog a környezetében, ill. mozgatja a környezet tárgyait a gravitációs mezőben a közte és a környezet között fellépő érintkezési erők által. A humanoid robotok vezérlési problémája a következő: adott a mozgás kezdeti és végállapota és ehhez keressük azt a mozgássort, amely az érintkezési állapotok sorozatával át tudja vinni a robotot a kiindulási helyzetből a célhelyzetbe.

A robot járásának megtervezése

A két alapvető vezérlő algoritmus a következő:

Inverz inga séma

  1. A robot mozgásainak megtervezése

  2. Változtassuk a következő lábnyom pozícióját úgy, hogy megtartsuk a robot tervezett konfigurációját!

ZMP (Zero Moment Point) alapú séma

  1. Tervezzük meg a robot lábnyomainak sorozatát.

  2. Változtassuk a robot konfigurációját, hogy megtartsuk a lábnyomok tervezett szerkezetét.

2.6.4.1. Mozgások szemben az érintkezési erővel

A robot dinamikus egyensúlyának feltétele, hogy a tömeg gyorsulását okozó erők tartsanak egyensúlyt az érintkezési erőkkel, ugyanakkor a tömeg gyorsulását okozó erőkből származó nyomatékkal tartson egyensúlyt a forgási tehetetlenségből eredő nyomaték plusz az érintkezési nyomaték.

A dinamikus egyensúly feltételei

2.6.4.2. A fordított inga séma

Ebben az esetben nem lényeges, hogy a dülöngélő robot hova lép, csak ne essen el, azaz tartsa meg az egyensúlyát. A módszer első alkalmazói Gubina, Hemami és McGee, 1974-ben. Dinamikusan egyensúlyozó, nagy talpak nélküli robot látható az alábbi ábrán.

Lépegető robot

A probléma ezzel a módszerrel az, hogy gyakran nem léphet a robot bárhová, a lábnyomok helye előre adott lehet.

2.6.4.3. A ZMP módszer

Ezt a problémát küszöböli ki a nulla nyomatékú pontot alkalmazó módszer, a ZMP (Zero Moment Point). A módszer első alkalmazói Vukobratovic és Stepanenko voltak a hetvenes évek elején. Az elvet számtalan robot alkalmazza. Jellemzőjük a jelentős méretű talp. Néhányukra az ábra hoz példát.

ZMP módszert alkalmazó robotok

A ZMP a robot talajjal érintkező talpán, illetve talpain ható erők eredőjének helye a talajon az úgynevezett támasztási sokszögön belül. A támasztási sokszög a talajjal érintkező talpat, vagy talpakat befoglaló legszűkebb sokszög, zárt görbe. A ZMP módszernek megfelelő helyváltoztató mozgást végez az ember, amikor egy teli tál levest tesz át a tűzhelyről a néhány lépésnyire lévő asztalra. A testsúlyát egyik lábára helyezve óvatosan keres a másik lábának biztos helyet, majd a súlypontját lassan áthelyezi arra a lábára. A rövid idejű két lábon állásos szakaszokat hosszabb, egy lábon állásos szakaszok váltják. Általában a kiindulás és a befejezés kétlábas alátámasztású.

A ZMP a támasztási sokszögön belül van

A ZMP soha nem hagyja el az aktuális támasztó poligont. Nagy előnye ennek a statikus egyensúlyi helyzeteket alkalmazó helyváltoztatási módszernek, hogy a ZMP helyét a talp erőszenzoraival meghatározhatjuk. Amikor a ZMP a támasztási sokszögön belül van, a robot statikus egyensúlyban van, mint egy szobor, és a talp és a talaj érintkezése megtartott. Ebből eredően a robot nem akar eldőlni, testtartása megtartható. Természetesen a robot nem a szobormerevségű testtartásra törekszik, hanem arra, hogy miközben testhelyzetét változtatja, az egyensúlyát megőrizze, azaz a ZMP ne kerüljön ki a támasztási sokszögből. Felfoghatjuk úgy is, hogy a tömegközéppontjának talajra eső vetülete a ZMP, de ez csak statikus egyensúlyra igaz, a ZMP módszer akkor is jó, ha a robot részei gyorsuló mozgást végeznek és a robotra nem csak a gravitáció hat, hanem tehetetlenségi erők és nyomatékok is. Ez a megközelítés figyelembe veszi azt, hogy a talaj és a láb között elegendő súrlódásnak kell ébrednie, hogy megakadályozza a csúszást. Mindenesetre, a tiszta ZMP módszerrel csak gyalogolni lehet, futni nem, hiszen futásnál van olyan fázis, amikor mindkét láb a levegőben van.

2.6.4.4. A helyváltoztató mozgás tervezése

A járás a kötött lépéshelyek miatt a ZMP görbe felvételével indul, melynek állandóan a szakaszosan változó alakú és helyű támasztó poligon által hagyott sávon belül kell haladnia. Mivel a ZMP helyére kihatással bír a robotra ható gravitációs erőkön túl a tehetetlenségi erők és nyomatékok fellépése is, a törzsből eredő különösen nagy tehetetlenségi hatások kezelésére kis törzsmozgásokat alkalmaznak, vagy az újabb módszerekben a törzs ellen-csavaró mozgását is alkalmazzák. Ha a tervezést jól végzik a robot mozgása simább, természetesebb lesz, ami a szervomotorok és a hajtóművek kisebb igénybevételét eredményezi. Az alábbi ábrán a kiinduló ZMP függvény és az ahhoz képest jelentősen simább tömegközéppont mozgásfüggvény látható (CoM = Center of Mass, tömegközéppont).

Felülnézeti ábrák a robot járásáról

A viszonylag nagy tömegű csukló szegmensek – comb, lábszár, és különösen a törzs – jelentős nagyságú tehetetlenségi nyomatékot generálnak, melyet a talajnál ébredő tartóerőknek és súrlódási erőknek kell a gravitáció hatásközéppontja körül keltett nyomatékkal kompenzálniuk.

A nyomatékok egyensúlya is fontos

Az előre mozgó robot tömegközéppontjának gyorsítása ellenében ható erők jótékony nyomatékot gyakorolnak a robotra, melynek következtében a támasztó poligonon kívülre kerülő tömegközéppont-vetület ellenére a ZMP a támasztási poligonon belül marad, amint mutatják ezt a következő ábrák. A képeken a lépéskor megfigyelhető jelenséget a kis alátámasztási felülettel bíró asztalon guruló kiskocsival modellezik. Az ábra a billenés határhelyzetét mutatja.

Kiskocsi-modell

A felbillenés elkerülhető, ha a törzs nagyobb gyorsulással mozdul előre, amint az alábbi ábrán látható.

A ZMP helyének számítása

Minél magasabban van a súlypont és minél dinamikusabb az előremozdulás, annál kisebb az x0 távolság és annál kevésbé billenhet fel a robot. Ily módon a tömegközéppont megfelelő mozgatásával (x) biztosíthatjuk a ZMP függvény megfelelő alakját (x0).

Járásminta generálás

A kívánt ZMP függvényt a szervo szabályozás feladata követni. A zárt visszacsatolt szabályozókör bemenő jele a ZMP biztosítandó pillanatnyi x0 referenciaértéke, melytől való eltérés a mért kimenő x0 visszacsatolásával adódik és vezérli a Controllert, melynek u kimenőjele működteti a szervomotort.

Szabályozókör

A visszacsatolás miatt a szabályozás csak kis hibával képes a kívánt referenciaértéket követni. Sheridan, Tomizuka és Rosenthal az Előretekintő vezérlés koncepciójának kitalálói és alkalmazói. Az ötlet lényege, hogy használjuk fel a rendelkezésre álló információt a jövőbeni elérendő x0 értékre vonatkozóan és a szabályozásba vonjuk be a pár lépéssel később következő elérendő x0 értékeket is.

A jó járásjel előretekintéssel adódik

A módszer analógiája a kanyargós úton való vezetés, ahol előre tudjuk, mennyire kell majd elfordítani a kormányt, hogy az úton maradhassunk. A szabályozási törvény az fi nyereségszorzókkal figyelembe veszi az N lépésnyire előre elérendő x0 referenciajeleket is.

Előretekintő szabályozás

A következőkben a humanoid robotok helyváltoztatásának modellezésére részecske-raj alapú optimálást alkalmazó tanulmányt mutatunk be, ami előtt tekintsük át a módszer működését!