DE102004045805A1 - Stability control of a two legged robot is provided by controlling the speed of the inertial rotor of a gyroscopic actuator - Google Patents

Stability control of a two legged robot is provided by controlling the speed of the inertial rotor of a gyroscopic actuator Download PDF

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Abstract

The two legged robot has a stabilising actuator in the form of a gyroscopic rotor [1] with a coupled motor [2] that is controlled [3] based upon rotational speed [5] and robot position [4]. The actuator speed is controlled such that its inertial force varies dependent on position to provide a stabilising action.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Stabilisierung zweibeiniger Roboter.The The present invention relates to an apparatus and a method for stabilizing bipedal robots.

Unter zweibeinigen Robotern werden im Sinne dieser Anmeldung Roboter verstanden, die über zwei Beine verfügen and denen sich jeweils ein Fuß befindet, wobei die Fortbewegung des Roboters im wesentlichen durch die Füße vorangetrieben wird.Under Two-legged robots are understood as meaning robots in the sense of this application. the over two Legs have each of which has a foot, wherein the movement of the robot driven substantially by the feet becomes.

Weltweit existieren bereits einige solcher Roboter wie die folgende beispielhafte Aufzählung zeigt:
Honda Asimo, Japan
Sony SDR-4X, Japan
H7, Universität Tokio, Japan
HRP-2P AIST Kawada, Japan
Silf-H2, K. Ito, Japan
3-D passive dynamic walker Cornell Univ., USA
Johnny, Universität München, DeutschlandThere are already some such robots worldwide, as the following list of examples shows:
Honda Asimo, Japan
Sony SDR-4X, Japan
H7, University of Tokyo, Japan
HRP-2P AIST Kawada, Japan
Silf-H2, K. Ito, Japan
3-D passive dynamic walker Cornell Univ., USA
Johnny, University of Munich, Germany

Ein wesentliches Problem bei der Steuerung zweibeiniger Roboter ist das Balancieren des Roboters auf den Beinen. Dabei müssen sowohl die auftretenden Gewichtskräfte als auch die auftretenden Drehmomente berücksichtigt werden. So befindet sich beispielsweise beim Laufen fast ständig ein Fuß in der Luft. Aber auch die Bewegung eines oder beider Arme führt in der Regel zur Verschiebung des Schwerpunkts sowie zu Drehmomenten.One essential problem in the control of bipedal robots is balancing the robot on the legs. It must be both the occurring weight forces as well as the occurring torques are taken into account. This is how it is For example, when walking almost constantly a foot in the air. But also the Movement of one or both arms usually leads to displacement of center of gravity and torques.

Als ein Standardverfahren zur Stabilisierung zweibeiniger Roboter hat sich das Zero-Moment-Punkt-Verfahren (ZMP) herauskristallisiert. Mit Hilfe des ZMP kann eine hinreichende Bedingung für das Stehenbleiben des Roboters wie folgt angegeben werden.When a standard method for stabilizing biped robots has the Zero-Moment-Point-Method (ZMP) emerges. With the help of the ZMP can be a sufficient condition for stopping of the robot can be specified as follows.

Im weiteren wird ein Roboter angenommen, der über Fußgelenke verfügt und bei dem zudem ein Fuß immer auf dem Boden steht. Am aufgesetzten Fuß heben sich die Schwerkraft des Fußgelenks und die Kraft auf das Fußgelenk auf der einen Seite und die Zwangskräfte des Bodens auf der anderen Seite auf: R + Fa + ms·g = 0,wobei R die Zwangskraft, Fa die Kraft auf das Fußgelenk und ms·g die auf den Fuß wirkende Schwerkraft darstellen. Aus dieser Gleichung lassen sich die Zwangskräfte R aus dem Gesamtzustand des Roboters, also dem Einstellwinkel der Gelenke und ihre Änderungsgeschwindigkeit, zu jedem Zeitschritt berechnen.In addition, a robot is assumed, which has ankles and in which also a foot is always on the ground. On an attached foot the gravity of the ankle and the force on the ankle on one side and the constraining forces of the ground on the other side cancel: R + F a + m s · G = 0, where R represents the constraining force, F a the force on the ankle and m s · g the gravitational force acting on the foot. From this equation, the constraining forces R can be calculated from the overall state of the robot, ie the setting angle of the joints and their rate of change, at each time step.

Zusätzlich müssen die Drehmomente, die vom Roboter aus auf den Fuß wirken durch entsprechende Drehmomente der Zwangskräfte des Bodens wieder aufgehoben werden. Die vom Roboter ausgeübten Drehmomente ergeben sich zu: Ma + OA × Fa + OG × ms g,wobei Ma das auf das Fußgelenk angesetzte Drehmoment ist, OA × Fa das Drehmoment, das aus der am Fußgelenk wirkenden Kraft resultiert, und OG der Schwerpunkt des Fußes.In addition, the torques that act on the foot from the robot must be reversed by corresponding torques of the constraining forces of the soil. The torques exerted by the robot result in: M a + OA × F a + OG × m s G, where M a is the torque applied to the ankle, OA × F a the torque resulting from the ankle force, and OG the center of gravity of the foot.

Der Roboter bleibt dann stehen, wenn diese Drehmomente durch die aus den Zwangskräften resultierenden Kräfte an einem bestimmten Aufpunkt kompensiert werden können. Dieser Aufpunkt muss sich dazu unter der Fußfläche befinden. Die z-Komponente des Gesamtdrehmoments wird durch die Reibung des Bodens kompensiert. Dabei wird angenommen, daß die Reibung zwischen Fuß und Boden immer hinreichend groß ist. Für die horizontalen Komponenten muß die folgende Gleichung erfüllt sein: (OP × R )h + (OG × (ms·g))h + (Ma)h(OA × Fa)h = 0,wobei OP den Positionsvektor des oben genannten Aufpunkts darstellt. Befindet sich dieser innerhalb des Fußes, also innerhalb einer unterstützten Fläche, so ist der Roboter stabil und wird nicht umfallen. OA bezeichnet die Position des Fußgelenks und das hochgestellte h deutet an, daß diese Gleichung nur die Horizontalkomponenten der Drehmomente berücksichtigt. Die Steuerung des Roboters muss die Gelenke in der Art Steuern, dass genau das eintritt (vgl. "Zero-Moment Point – Thirty five years of its life" von M. Vukobradovic, B. Borovac, Int. J. of Humanoid Robotics 1:1 157–173 (2004)).The robot then stops when these torques can be compensated by the forces resulting from the constraining forces at a certain point of reference. This point must be under the footwell. The z-component of the total torque is compensated by the friction of the soil. It is assumed that the friction between foot and ground is always sufficiently large. For the horizontal components, the following equation must be satisfied: (OP × R) H + (OG × (m s ·G)) H + (M a ) H (OA × F a ) H = 0, where OP represents the position vector of the above-mentioned point. If this is within the foot, ie within a supported area, the robot is stable and will not fall over. OA denotes the position of the ankle and the superscript h indicates that this equation only considers the horizontal components of the torques. The control of the robot must control the joints in such a way that it does (see "Zero-moment point - Thirty five years of its life" by M. Vukobradovic, B. Borovac, Int. J. of Humanoid Robotics 1: 1 157-173 (2004)).

Dazu ist in "Real time Humanoid Motion Generation through ZMP Manipulation Based on Pendulum Control" von Tomomichi Sugihara, Hirochika Inoue, IEEE Intl. Conference on Robotics and Automation, (ICRA 2002), Seiten 1404–1409. eine Beschreibung publiziert worden.To is in "real time Humanoid Motion Generation Through ZMP Manipulation Based on Pendulum Control "by Tomomichi Sugihara, Hirochika Inoue, IEEE Intl. Conference on Robotics and Automation, (ICRA 2002), pages 1404-1409. a description published Service.

Die Firma Honda, ein renommierter Entwickler von humanoiden Robotern, verwendet neben dem ZMP noch zwei weitere Methoden zur Stabilisierung, "Ground Reaction Force Control" und "Foot Landing Position Control" genannt werden. Die Idee ist dabei sowohl den ZMP als auch das sogenannte "Centre of Actual Total Ground Reaction Force" (C-ATGRF) zu bestimmen, um ein Kippmoment von Null herzustellen. Die C-ATGRF ist dabei genau der Punkt auf dem Boden, bei der die "Actual Total Reaction Force" (ATGRF) Null wird. Dieses Verfahren wird in " The development of Honda Humanoid Robot" von K.H. Hirai et al. in Proceedings of the Intl. Conf. On Robotics and Automation (ICRA-98) beschrieben.The Company Honda, a renowned developer of humanoid robots, In addition to the ZMP, there are two other stabilization methods, "Ground Reaction Force Control "and" Foot Landing Position Called control become. The idea is both the ZMP and the so-called "Center of Actual Total Ground Reaction Force "(C-ATGRF) to determine a zero tilting moment. The C-ATGRF is exactly the point on the ground where the "Actual Total Reaction Force "(ATGRF) zero becomes. This procedure is described in "The Development of Honda Humanoid Robot "by K. H. Hirai et al., in Proceedings of the Intl. Conf. On Robotics and Automation (ICRA-98).

Weitere mechanische Modifikationen an zur Verbesserung des Laufvorgangs und Balancierens von Robotern sind publiziert worden. Inbesondere die Entwicklung von so genannten passiven dynamischen Gehern ist dabei zu erwähnen. Dabei handelt es sich um rein mechanische Geräte ohne elektrische Steuerungsmechanismen, die, wenn sie in der richtigen Weise gestartet werden, Rampen mit einer vorgegeben Neigung hinuntergehen. Der Gang ähnelt frappierend dem menschlichen Laufen (siehe auch "A Three-Dimensional Passive- Dynamic Walking Robot with Two Legs and Knees" von S. H. Collins et al., Intl. J. of Robotics Research, Seiten 607–614). Weiterhin wurden als Verbesserung an den Roboterplattformen weiche federgedämpfte Aktuatoren mit einstellbarer Federkonstante eingeführt (siehe dazu "Active / Passive Hybrid Walking by the Biped Robot Tokai Robo Habilis 1", von K. Koganezawa und O. Matsumoto, paper #541, IROS 2002). Weiterhin ist auch der Einsatz von beweglichen Zehen bekannt.Further mechanical modifications to the Improvement of the running process and balancing of robots have been published. In particular, the development of so-called passive dynamic Gehern is to mention. These are purely mechanical devices without electrical control mechanisms which, when started in the right way, will go down ramps with a given pitch. The walk is strikingly similar to human running (see also "A Three-Dimensional Passive-Dynamic Walking Robot with Two Legs and Knees" by SH Collins et al., Intl. J. of Robotics Research, pages 607-614). Furthermore, soft spring - damped actuators with adjustable spring constants were introduced as an improvement on the robot platforms (see "Active / Passive Hybrid Walking by the Biped Robot Tokai Robo Habilis 1 " , by K. Koganezawa and O. Matsumoto, paper # 541, IROS 2002). Furthermore, the use of movable toes is known.

Die oben geschilderten Vorrichtungen und Verfahren sind relativ kompliziert und benötigen einen hohen Steuerungs- und Regelaufwand. So erfordert die bis jetzt angewandte Technologie komplizierte Algorithmen fuer das Balancieren während der verschiedenen Bewegungssequenzen, es sei denn die Balance ist wie bei den passiven dynamischen Walkern auf sehr spezielle Umgebungen begrenzt (wie etwa bestimmte Steigungen, oder Oberflächen). Dabei muß bisher der Zustand jedes einzelnen Körpergelenks beachtet werden. Insbesondere kann die Haltung und Ausrichtung des Roboterrumpfes nicht unabhängig von dem Zustand der Gliedmassen kontrolliert werden.The The above-described devices and methods are relatively complicated and need a high control effort. So requires the applied so far Technology complicated algorithms for balancing during the different motion sequences, unless the balance is like in the passive dynamic walkers on very special environments limited (such as certain gradients, or surfaces). there so far the condition of every single body joint get noticed. In particular, the attitude and orientation of the Robot hull not independent be controlled by the condition of the limbs.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Stabilisierung zweibeiniger Roboter anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet.It It is therefore an object of the present invention to provide a device and to provide a method for stabilizing bipedal robots, which at least partially overcomes the disadvantages of the prior art.

Diese Aufgabe wird gelöst von einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 9. Weitere Vorteile, Aspekte und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.These Task is solved from a device according to claim 1 and a method according to claim 9. Other advantages, aspects and details of the present invention emerge from the subclaims, the description and the attached drawings.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines zweibeinigen Roboters bereitgestellt, die die einen steuerbaren Aktuator, eine Steuerung für den Aktuator, zumindest einen mit der Steuerung verbundenen ersten Sensor zur Erfassung der Lage des Roboterkörpersund zumindest einen mit der Steuerung verbundenen zweiten Sensor zur Erfassung des Zustandes des Aktuators umfaßt, wobei der Aktuator durch die Steuerung in Abhängigkeit der vom ersten Sensor erfaßten Lage des Roboters und in Abhängigkeit des vom zweiten Sensor erfaßten Zustandes des Aktuators so steuerbar ist, daß er durch seine Trägheit auf den Roboter wirkt und diesen stabilisiert.According to one embodiment The present invention provides a device for stabilization a bipedal robot that provides the one controllable Actuator, a controller for the actuator, at least one connected to the first control Sensor for detecting the position of the robot body and at least one with the control connected second sensor for detecting the state of the actuator comprises wherein the actuator is controlled by the controller in dependence on the first sensor detected Position of the robot and in dependence of the detected state of the second sensor of the actuator is controllable so that it by its inertia the robot acts and stabilizes it.

Durch die Stabilisierung des Roboters mittels Trägheitssteuerung wird das Balancieren des Roboters erleichtert. Weiterhin ist erfordert die vorliegende Steuerung nicht die genaue Kenntnis des Zustandes aller Gelenke sondern man kommt mit einer sensorischen Messung der Lage des Roboterkörpers aus. Weiterhin läßt sich die Haltung des Rumpfes direkt steuern, ohne jedoch auf eine direkte Ansteuerung von elektrischen Gelenken (Elektromotoren) angewiesen zu sein. Es reicht lediglich die Steuerung des Aktuators aus, so daß somit auch eine komplexe Koordinierung der verschiedenen Ansteuerungsvorgänge für die Gelenke entfällt. Die Ansteuerung des Aktuators kann darüberhinaus im Rahmen des ZMP-Verfahrens erfolgen.By the stabilization of the robot by means of inertial control will be balancing of the robot. Furthermore, the present control is required not the exact knowledge of the condition of all joints but one comes with a sensory measurement of the position of the robot body. Farther let yourself control the posture of the hull directly, without, however, on a direct Control of electrical joints (electric motors) instructed to be. It is sufficient only the control of the actuator, so that thus also a complex coordination of the various drive processes for the joints eliminated. The activation of the actuator can moreover in the context of the ZMP method respectively.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt der Aktuator einen schweren Kreisel und einen Motor, wobei der Motor zur Beeinflussung der Rotationsgeschwindigkeit des Kreisels dient. Auf diese Weise wird die Trägheitssteuerung auf einfache Weise verwirklicht. Dabei verbessert der Kreisel die Gier- und Rollstabilität des Roboters durch seine schnelle Rotation, so daß die Lage der Rotationsachse stabilisiert wird. Die Neigungsstabilität des Roboterkörpers wird durch die Geschwindigkeitssteuerung des Kreisels erreicht. Dabei führen Beschleunigung und Abbremsung des Kreisels zu Momenten, die eine Lageänderungen des Roboterkörpers bewirken.According to one another embodiment of the present invention the actuator is a heavy spinning top and a motor, with the engine serves to influence the rotational speed of the gyroscope. In this way, the inertia control realized in a simple way. The gyro improves the Yaw and roll stability of Robot by its fast rotation, so that the position of the axis of rotation is stabilized. The pitch stability of the robot body is achieved by the speed control of the gyroscope. there to lead Acceleration and deceleration of the gyro to moments that one Changes in the location of the robot body cause.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Stabilisierung eines zweibeinigen Roboters bereitgestellt, daß die Schritte Erfassen der Lage des Roboters, Erfassen des Zustands des Aktuators und Steuern des Aktuators in Abhängigkeit der erfaßten Lage des Roboters und in Abhängigkeit des erfaßten Zustandes, so daß der Aktuator durch seine Trägheit auf den Roboter wirkt und diesen stabilisiert, umfaßt.According to one Another aspect of the present invention is a method for Stabilization of a biped robot provided the steps Detecting the position of the robot, detecting the state of the actuator and controlling the actuator in dependence the captured Position of the robot and in dependence of the detected State, so that the Actuator by its inertia acts on and stabilizes the robot.

Durch dieses Verfahren wird eine effektive Trägheitsstabilisierung des Roboters erreicht, die unabhängig von der Steuerung anderer Teile des Roboterkörpers arbeitet.By This method becomes an effective inertial stabilization of the robot achieved independently works by controlling other parts of the robot body.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei zeigen:in the The following is the present invention with reference to the accompanying drawings explained in detail. Showing:

1 eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines zweibeinigen Roboters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 an apparatus for stabilizing a two-legged robot according to an embodiment of the present invention.

2a die wesentlichen Variablen, die bei der Neigungsstabilisierung eine Rolle spielen. 2a the essential variables involved in of pitch stabilization play a role.

2b eine Übersicht eines Verfahrens zur Stabilisierung eines zweibeinungen Roboters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 2 B an overview of a method for stabilizing a zweibeinungen robot according to an embodiment of the present invention.

3 einen zweibeinigen Roboter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 3 a two-legged robot according to an embodiment of the present invention.

4a bis e einen simulierten ersten Bewegungsablauf des zweibeinigen Roboters aus 3. 4a to e a simulated first movement of the two-legged robot out 3 ,

5a bis g einen simulierten zweiten Bewegungsablauf des zweibeinigen Roboters aus 3. 5a to g a simulated second movement of the two-legged robot from 3 ,

1 zeigt eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines zweibeinigen Roboters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Darin ist ein Rotor 1, bevorzugt ein schwerer symmetrischer Kreisel, mit einem Motor 2 auf solche Weise verbunden, daß der Motor 2 die Rotationsgeschwindigkeit und auch die Rotationsrichtung des Rotors 1 beeinflussen kann. Zusammen bilden Rotor 1 und Motor 2 einen Aktuator. Dabei kann der Kreisel prolat oder oblat ausgebildet sein. Typischerweise ist der Aktuator 1, 2 in einem Gehäuse angeordnet. 1 shows an apparatus for stabilizing a two-legged robot according to an embodiment of the present invention. This is a rotor 1 , preferably a heavy symmetrical gyro, with a motor 2 connected in such a way that the engine 2 the rotational speed and also the direction of rotation of the rotor 1 can influence. Together form rotor 1 and engine 2 an actuator. In this case, the gyro may be formed prolate or oblate. Typically, the actuator is 1 . 2 arranged in a housing.

Der Aktuator ist mit einer Steuerung 3 verbunden, die ihrerseits mit einem ersten Sensor 4 zur Erfassung der Lage des Roboterkörpers und einem zweiten Sensor 5 zur Erfassung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 1 verbunden ist.The actuator is with a controller 3 connected, in turn, with a first sensor 4 for detecting the position of the robot body and a second sensor 5 for detecting the rotational speed of the rotor 1 connected is.

Im Betrieb erhält die Steuerung 3 Daten von den Sensoren 4 und 5 und steuert über den Motor 2 die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 1, um den Roboter zu stabilisieren. Dazu sind in 2a einige grundlegende Größen, die bei der Stabilisierung eine Rolle spielen, dargestellt. Zunächst muß der Ist-Wert des Neigungswinkels durch den ersten Sensor 4 erfaßt werden. Typischerweise ist dazu der Sensor 4 als Gyroskop ausgebildet. Der Ist-Wert des Neigungswinkels wird sodann mit dem Soll-Wert des Neigungswinkels verglichen, um so den Offsetwinkel α zu bestimmen. Typischerweise befindet sich der Soll-Wert des Neigungswinkels dabei so nahe wie möglich am Punkt der natürlichen Balance. Weiterhin ist in 2a noch die Rotationsgeschwindigkeit beta_P des Rotors (Kreisels) dargestellt.In operation, the controller receives 3 Data from the sensors 4 and 5 and steers over the engine 2 the rotational speed of the rotor 1 to stabilize the robot. These are in 2a some basic parameters that play a role in stabilization. First, the actual value of the inclination angle must be determined by the first sensor 4 be detected. Typically, this is the sensor 4 designed as a gyroscope. The actual value of the inclination angle is then compared with the target value of the inclination angle so as to determine the offset angle α. Typically, the desired value of the inclination angle is as close as possible to the point of natural balance. Furthermore, in 2a nor the rotational speed beta_P of the rotor (gyroscope) shown.

2b zeigt eine Übersicht über das Steuerungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Steuergleichung lautet dabei β .. = A sin (α) + B α . – Cρwobei A, B und C Konstanten sind, die von der Größe, dem Gewicht und der Form des Roboters abhängen und die ähnlich wie die Proportional-Integral-Regelung optimiert werden müssen. Die weitere Größe ρ wird dazu verwendet, die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 1 innerhalb der Betriebsgrenzen zu halten. Der Wert der Größe ρ ergibt sich gemäß folgender Vorschrift if (β . – νopt) < –ρli ⇒ ρ = ρli else if (β . – νopt) < –ρli ⇒ ρ = –ρli else ρ = (β . - νopt)wobei ρli den Höchstwert von ρ darstellt. Dieser Höchstwert wird normalerweise vom Hersteller in Abhängigkeit von der Form und anderen Eigenschaften des Roboters festgelegt werden. Der neue Soll-Wert für die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ergibt sich daraus aus Integration gemäß

Figure 00070001
wobei Δt die Zeitkonstante des Steuerungsupdates ist. Der neuberechnete Soll-Wert β .whished der Winkelgeschwindigkeit wird an die PI-Steuerung des Motors 2 weitergegeben. Über den Motor 2 wird dann die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 1 so beeinflußt, daß der Soll-Wert der Winkelgeschwindigkeit angenommen wird. Diese Steuerung arbeitet somit unabhängig von der Steuerung anderer Teile des Roboterkörpers. 2 B shows an overview of the control method according to an embodiment of the present invention. The tax equation is here β .. = A sin (α) + B α. - Cρ where A, B and C are constants that depend on the size, weight and shape of the robot and that need to be optimized similarly to the proportional-integral control. The further variable ρ is used to determine the rotational speed of the rotor 1 within the operating limits. The value of the size ρ is given in accordance with the following rule if (β.-ν opt ) <-Ρ li ⇒ ρ = ρ li else if (β.-ν opt ) <-Ρ li ⇒ ρ = -ρ li else ρ = (β.-ν opt ) where ρ li represents the maximum value of ρ. This maximum value will normally be set by the manufacturer depending on the shape and other characteristics of the robot. The new target value for the rotational speed of the rotor results from integration according to
Figure 00070001
where Δt is the time constant of the control update. The recalculated setpoint value β. whished the angular velocity is sent to the PI control of the motor 2 passed. About the engine 2 then becomes the angular velocity of the rotor 1 influenced so that the target value of the angular velocity is assumed. This control thus operates independently of the control of other parts of the robot body.

3 zeigt einen zweibeinigen Roboter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Roboter weist zwei Beine mit jeweils einem Fuß auf, wobei die Beine Fuß-, Knie- und Hüftgelenke umfassen. Weiterhin umfaßt der Roboter einen Körper sowie einen Rotor. Die Darstellung des Motors, der Steuerung und der Sensorik sind aus Gründen der Einfachheit weggelassen. 3 shows a two-legged robot according to an embodiment of the present invention. The robot has two legs each with one foot, the legs comprising foot, knee and hip joints. Furthermore, the robot comprises a body and a rotor. The representation of the motor, the controller and the sensor are omitted for the sake of simplicity.

Die 4a bis e zeigen eine ODE-Simulation eines ersten Bewegungsablaufs des Roboters aus 3. Der Roboter ist dabei in der Lage aufgrund der erfindungsgemäßen Trägheitsstabilisierung aus einer liegenden Position aufzustehen.The 4a to e show an ODE simulation of a first motion sequence of the robot 3 , The robot is able to get up from a lying position due to the inertial stabilization according to the invention.

Die 5a bis f zeigen eine ODE-Simulation eines zweiten Bewegungsablaufs des Roboters aus 3. Der Roboter ist dabei in der Lage aufgrund der erfindungsgemäßen Trägheitsstabilisierung aus eine Laufbewegung durchzuführen.The 5a to f show an ODE simulation of a second movement of the robot 3 , The robot is able to carry out a running movement due to the inertial stabilization according to the invention.

Claims (15)

Vorrichtung zur Stabilisierung eines zweibeinigen Roboters, umfassend: einen steuerbaren Aktuator, eine Steuerung für den Aktuator, zumindest einen ersten Sensor zur Erfassung der Lage des Roboterkörpers, wobei der erste Sensor mit der Steuerung verbunden ist, und zumindest einen zweiten Sensor zur Erfassung des Zustandes des Aktuators, wobei der zweite Sensor mit der Steuerung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator durch die Steuerung in Abhängigkeit der vom ersten Sensor erfaßten Lage des Roboters und in Abhängigkeit des vom zweiten Sensor erfaßten Zustandes des Aktuators so steuerbar ist, daß er durch seine Trägheit auf den Roboter wirkt und diesen stabilisiert.Device for stabilizing a two-legged robot, comprising: a controllable actuator, a controller for the actuator, at least one first sensor for detecting the position of the robot body, wherein the first sensor is connected to the controller, and at least one second sensor for detecting the state of the actuator, wherein the second sensor is connected to the controller, characterized in that the actuator is controllable by the controller in dependence on the position of the robot detected by the first sensor and in dependence on the state of the actuator detected by the second sensor so that it acts on the robot by its inertia and stabilizes it. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aktuator einen schweren symmetrischen Kreisel und einen Motor umfaßt.The device of claim 1, wherein the actuator comprises a comprising a heavy symmetrical gyro and a motor. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Aktuator so angepaßt ist, daß der Motor die Winkelgeschwindigkeit und/oder die Drehrichtung des Kreisels verändern kann.Apparatus according to claim 2, wherein the actuator is so customized is that the Motor can change the angular velocity and / or the direction of rotation of the gyroscope. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor über eine PI-Steuerung angesteuert wird, um die Winkelgeschwindigkeit und/oder die Drehrichtung des Kreisels zu verändern.Device according to claim 3, characterized in that that the Engine over a PI control is controlled to the angular velocity and / or to change the direction of rotation of the gyro. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Kreisel oblat ist.Device according to one of claims 2 to 4, wherein the gyroscope is wafer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Kreisel prolat ist.Device according to one of claims 2 to 4, wherein the gyroscope prolate is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der vom zweiten Sensor erfaßte Zustand des Aktuators die Winkel- bzw. Drehgeschwindigkeit des Kreisels beinhaltet.Device according to one of claims 2 to 6, wherein the of second sensor detected State of the actuator, the angular or rotational speed of the gyroscope includes. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator von einem Gehäuse umgeben ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the actuator surrounded by a housing is. Verfahren zur Stabilisierung eines zweibeinigen Roboters mit einer Stabilisierungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte: – Erfassen der Lage des Roboters – Erfassen des Zustands des Aktuators – Steuern des Aktuators in Abhängigkeit der erfaßten Lage des Roboters und in Abhängigkeit des erfaßten Zustandes, so daß der Aktuator durch seine Trägheit auf den Roboter wirkt und diesen stabilisiert.Method for stabilizing a two-legged robot with a stabilization device according to one of claims 1 to 8, comprising the steps: - Detecting the position of the robot - To capture the state of the actuator - controlling the actuator in dependence the recorded situation of the robot and in dependence of the detected condition, so that the Actuator due to its inertia the robot acts and stabilizes it. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Erfassens der Lage des Roboter den Schritt des Erfassens eines Ist-Neigungswinkels des Roboters und die Berechnung eines Offset-Neigungswinkels des Ist-Neigungswinkels von einem Soll-Neigungswinkel beinhaltet.The method of claim 9, wherein the step of Detecting the position of the robot, the step of detecting an actual inclination angle of the robot and the calculation of an offset inclination angle of the robot Actual inclination angle of a target inclination angle includes. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Steuerung gemäß der Steuergleichung β .. = A sin (α) + B α . – Cρ,wobei A, B und C Konstanten sind, die von der Größe, dem Gewicht und der Form des Roboters abhängen.Method according to one of claims 9 or 10, wherein the control according to the tax equation β .. = A sin (α) + B α. - Cρ, where A, B and C are constants that depend on the size, weight and shape of the robot. Verfahren nach Anspruch 11, wobei sich der Wert der Größe ρ gemäß folgender Vorschrift if (β . – νopt) < –ρli ⇒ ρ = ρli else if (β . – νopt) < –ρli ⇒ ρ = –ρli else ρ = (β . – νopt)ergibt, wobei ρli den Höchstwert von ρ darstellt.The method of claim 11, wherein the value of the size ρ according to the following rule if (β.-ν opt ) <-Ρ li ⇒ ρ = ρ li else if (β.-ν opt ) <-Ρ li ⇒ ρ = -ρ li else ρ = (β.-ν opt ) results, where ρ li represents the maximum value of ρ. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei sich der neue Soll-Wert für die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors gemäß
Figure 00110001
berechnet, wobei Δt die Zeitkonstante des Steuerungsupdates ist.Method according to one of claims 11 or 12, wherein the new target value for the rotational speed of the rotor according to
Figure 00110001
where Δt is the time constant of the control update. Zweibeiniger Roboter mit einer Vorrichtung zur Stabilisierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.Two-legged robot with a device for stabilization according to one the claims 1 to 8. Roboter nach Anspruch 14, wobei der Roboter angepaßt ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13 durchzuführen.The robot of claim 14, wherein the robot is adapted. a method according to a the claims 9 to 13 perform.
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