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Robotica Umanoide(Approfondimento sui Bipedi)

PhD. Ing. Michele Folgheraiter

Corso di ROBOTICA2Prof.ssa Giuseppina Gini

Anno. Acc. 2005/2006

Def. Robotica Umanoide :

“Quella branchia della BioRobotica il cui scopo è riprodurre, il più fedelmente possibile, alcune capacità, comportamenti e caratteristiche morfologiche umane ”

Quali sono le motivazioni che ci spingono a voler creare dei robot che assomigliano e si comportano come un uomo?

Non sono sufficienti i robot attuali (manipolatori, robot mobili)?

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•Il robot deve poter interagire in modo più naturale con l’uomo (comunicazione gestuale, vocale ecc.)

•Il robot deve poter operare in ambienti e manipolare oggetti che sono stati progettati e costruiti in base alla conformazione fisica e alle esigenze dell’uomo (scale,attrezzi ecc.)

•Il robot deve poter cooperare ed eventualmente assistere l’uomo. (assistenza agli invalidi,anziani ecc.)

•Il robot non deve assolutamente nuocere l’uomo (controllo di rigidità). (Spazio di lavoro dei manipolatori circondato da una gabbia di sicurezza)

Motivazioni:

Soluzioni/Obbiettivi:

Per poter far fronte a tutti questi obbiettivi ci si è accorti che le normali architetture adottate per risolvere problemi di automazione industriale, ispezione di ambienti, tele-manipolazione ecc., non sono sufficienti.

Ĕ necessario quindi sviluppare dei robot in grado di imitare l’uomo e di riprodurne alcune funzionalità.

Da una decina di anni in molti laboratori sono partiti progetti inerenti alla robotica umanoide.

Il problema di progettare un robot umanoide completo, tuttavia, è molto complesso. Molti ricercatori hanno quindi preferito cercare di affrontare problemi più semplici.

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Circa 92 GDL !!!!!

Complessità Cinematica:

•Studi sui sistemi di locomozione su due arti (Robot Bipedi)

•Studi sui sistemi di manipolazione (Mano artificiali)

•Studi sui sistemi di coordinamento Visione-Manipolazione

•Studi sui sistemi di attuazione e sensoriali ad hoc

•Studi su sistemi di controllo ad alto livello (AI)

•Studi su sistemi di controllo in grado di esprimere semplici stati d’animo (rabbia, felicità, stupore,indifferenza,paura....)

•Studi sulle interfacce e i sistemi di tele-manipolazione per Robot Umanoidi (NASA)

Filoni di Ricerca:

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Robotica Umanoide

Wabot-1 [1973, Waseda University Tokyo]:

•Primo Robot Umanoide,

Cog [1993, R. Brooks, MIT] :

•21 DOF,

•coordinamento visione-manipolazione

Robonaut [1991, R. Ambrose, NASA ]:

•Robot tele-operato per supporto di attivitàextra-veicolari

ISAC [K.Kawamura,Vanderbilt University ] :

•2 braccia a 6 DOF

•attuato mediante muscoli artificiali

•Emulazione EMG muscoli umani (agonista-antagonista-agonista)

DB [S. Schall, M. Kawato, Japan Science Technology Corporation, Sarcos Company ] :

• alto 1.85 metri, pesa 80Kg

•30 DOF

•Attuato mediante 25 attuatori idraulici lineari e 5 rotazionali

•Apprendimento movimenti (primitive) mediante

dimostrazione operatore umano

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Bipedi Honda

Caratteristiche Asimo

(Advanced Step in Innovative MObility)

Peso: 52 Kg

Velocità: 0-3 Km/h

Motori: Brushless + Harmonic Drive

Batteria: 38.4V /10Ah (Ni-Mh)

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•Camminata Satica/Dinamica.

•Il numero di DOF per le gambe èridotto al minimo indispensabile.

•Algoritmo di controllo per camminata statica

• Piede con sistema di assorbimento forza di impatto (può arrivare a 1.8 volte il peso del corpo a 8 Km/h).

Bipede (MIT LegLab, 2002)

•12 Gradi di Libertà

- 3 nell’anca

- 1 nel ginocchio

- 2 nella caviglia

•Attuatori con controllo di rigidità

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Ci sono due tecniche completamente diverse per implementare la camminata mediante un sistema artificiale (bipede).

Camminata Attiva: in questo caso ogni grado di libertà del bipede èequipaggiato con un’attuatore, vengono fissate a priori delle traiettorie per i piedi e il bacino in funzione del tipo di andatura che si vuole eseguire (passeggio, corsa…). Questo approccio è attualmente adottato dai robot giapponesi (Wabian, Wabian-2,Wabot, Asimo,..) , americani (M2, DB,..) etc.

Camminata Passiva: questo tipo di camminata considera il bipede come un doppio pendolo inverso. Dove non necessariamente tutti i giunti devono essere equipaggiati con degli attuatori, inoltre la sola energia richiesta nel movimento èquella che per mette di far iniziare o fermare il movimento. Naturalmente ènecessario compensare anche le forze/momenti di attrito.

Interessanti sono gli studi di Mc. Geer (1990) dove si dimostra l’efficacia di un bipede completamente passivo in grado di camminare (scendere) un piano inclinato utilizzano come un’unica fonte di energia quella potenziale.

Considerazioni sulla Camminata Umana e Artificiale

Secondo Mc. Geer la camminata dell’uomo può essere paragonata al rotolare di una ruota con diametro pari a due volte la lunghezza delle gambe.

Oss: Nella ruota a raggiera la velocità del Cm. (centro di massa) su un piano inclinato assume un valore costante pari alla radice quadrata dell’inclinazionedel piano. Ad ogni urto della “gamba” con il piano viene persa una certa quantitàdi moto. La “camminata” che si ottiene in questo modo risulta essere ciclica e stabile.

E’ da notare che il tipo di camminata eseguito dal bipede di Mc. Geer è una camminata bidimensionale, immune da disturbi sul piano laterale.

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Dal punto di vista energetico la ruota a raggiera risulta essere inefficiente rispetto la semplice ruota (che su un piano orizzontale, trascurando gli attriti, può ruotare indefinitamente), quindi il passo successivo è stato quello di applicare su una coppia di raggi un arco di circonferenza.

Naturalmente rimane sempre il problema del contatto accidentale con il suolo, che può essere risolto introducendo l’articolazione del ginocchio.

Nei Bipedi 3D un problema di cui bisogna tener conto sono le oscillazioni che si creano durante la camminata nel piano orizzontale (imbardata) e frontale (rollio).

E’ possibile risolvere questo problema introducendo del bacino un meccanismoche compensi i momenti di inerzia dovuti al passo.

Oss: Nell’uomo questi momenti vengono equilibrati usando il movimento delle braccia e del bacino.

Nel prototipo di destra sono stati utilizzati piedi molto larghi per assicurare meglio l’equilibrio nel piano frontale (rollio).

Oss: Durante la camminata le gambe oscillano come due pendoli, l’energia serve solamente per far iniziare ed arrestare il movimento.

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Un metodo per compensare i momenti di inerzia nel piano orizzontale e trasversale potrebbe essere quello di utilizzare una coda come nel caso del robot Trudy (LegLab MIT)

L’uomo rappresenta il risultato finale di un’evoluzione (bipedalismo) durata milioni di anni. Di conseguenza dal punto di vista energetico rappresenta il punto di riferimento per la progettazione degli attuali robot bipedi.

La prima cosa che è necessario analizzare nel corpo umano è la distribuzione di massa:

Dalla tabella si può subito notare come il 68% del peso corporeo risulti localizzato nelle parti superiori.

Si può inoltre notare come i piedi, nonostante la loro complessa struttura e delicata funzione, rappresentino meno del 10% del peso complessivo.

Camminata nell’uomo

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Consumi Energetici: studi condotti sull’uomo hanno dimostrato come un uomo del peso di circa 80Kg consumi una potenza di 80W (12V-6.6A 36V-2.2A) per camminare con un’andatura normale. Il robot M2 (40Kg) dell’MIT ha un consumo di 90W per ogni singolo attuatore (mediamente attivando 6 attuatori contemporaneamente abbiamo un consumo di 540W).

Escursione/Consumi Articolazioni: Sempre da studi condotti sull’uomo risulta che mediamente (uomo 1.80 m, 80Kg) le escursioni delle articolazioni durante una camminata normale sono:

Attivazione Muscolare: Studiando l’andamento dei segnali mio-elettrici dei muscoli della gamba, possiamo notare come a differenza degli attuali robot bipedi (dove l’attivazione dei motori è continua durante tutto il movimento), nell’uomo l’attivazione dei muscoli è maggiore solamente nelle fasi iniziali e finali della camminata. In quanto le gambe oscillano naturalmente proprio come un pendolo.

Evoluzione dell’andatura Nell’uomo: Sono stati fatti degli studi (Crompton,1998) che confrontano l’efficienza energetica dei primi ominidi rispetto a quella dell’uomo erectus è nettamente inferiore. Questo non tanto per una maggiore oscillazione verticale del centro di massa, ma piuttosto per una sincronizzazione del moto trasversale con quello verticale.

Oss: Le andature (lunghezza del passo, coordinamento articolazioni,..) scelte sono sempre in funzione del risparmio energetico, per esempio sopra i 2Km/h èpiù efficiente correre che camminare velocemente.

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Posizione del Centro di Massa: la posizione del centro di massa è molto importante per un bipede. Per esempio è noto che l’uomo può trasportare sulla testa fino al 20% del suo peso corporeo senza un’incremento significativo nelle attività muscolari.

Mentre è noto (nei soldati) che trasportare uno zaino con peso pari al 20% del corpo comporti un aumento di consumo energetico della stessa percentuale.

OSS: è inoltre noto che avere un centro di massa molto alto porti ad una camminata più stabile.

i

n

ii xm

MX ∑

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n

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m2

m3

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m5cm

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z

Evoluzione Camminata nel Bambino: Interessanti sono gli studi mirati a comprendere meglio come un bambino riesca ad apprendere una camminata efficiente. Solitamente a 6 mesi è in grado di sedersi autonomamente a 15 mesi èin grado di camminare e a 18 di correre.

In questo periodo matura il modo di camminare del bambino: la larghezza del passo diminuisce, l’oscillazione reciproca delle braccia diventa apprezzabile mentre aumentano lunghezza del passo, velocità e durata della fase di appoggio.

Questa evoluzione è dovuta non solo ad una crescita del sistema muscolo-scheletrico, ma soprattutto ad un adattamento del CNS (sistema nervoso centrale) e dei circuiti del CGP (Generatore centrale di movimento) costituito da una serie di circuiti neurali oscillanti che temporizzano e coordinano le fasi della camminata.

Il CPG è importante perché permette di generare dei movimenti ritmici senza l’intervento del CNS (che si occupa solamente di modulare queste attivazioni ritmiche).

Equilibrium Point Hypothesis: è una teoria proposta da Felman 30 anni fa, nella quale si afferma che i riflessi spinali rendano l’apparato muscolare simile ad un sistema molla-smorzatore.

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Con questa visione il movimento di una articolazione coincide nello spostare il punto di equilibrio del sistema (che quindi autonomamente si sposta sempre verso una situazione di equilibrio).

Statica: Si ha una camminata statica se fermando il Robot in qualunque istante questo si trova in una situazione di equilibrio.

Per avere una camminata statica è necessario:

- che il centro di massa proietti all’interno dall’area di supporto dei piedi .

- le velocità di rotazione dei giunti devono essere contenute in modo da poter supporre che le forze inerziali, centrifughe e di Coriolis siano trascurabili.

Camminata Statica/Dinamica

Oss: questo tipo di camminata di solito richiede:

- Piedi con una estesa base di appoggio (questo giustifica i piedi dei robot Honda)

- Giunti dell’anca con grossi motori per bilanciare il momento generato dal corpo durante l’alzata di una gamba.

Dinamica: la camminata dinamica permette, per un limitato periodo di tempo, di far cadere il centro di massa fuori dall’area di supporto (con un solo appoggio coincide con l’area del piede, in caso di doppio appoggio coincide con l’area convessa che contiene entrambe le aree coperte dai due piedi).

Se il robot possiede un giunto d’anca attivo e possiede dei piedi con plantare piano allora per garantire la stabilità di camminata è possibile usare lo ZMP (Zero Moment Point, Vukobratovic 1990).

ZMP: è un punto rispetto al quale la sommatoria dei momenti dovuti alle forze inerziali e gravitazionali è nullo.

Camminata dinamica stabile: se istante per istante lo ZMP cade all’interno dell’area di appoggio dei piedi.

Oss: nel caso di camminata statica lo ZMP coincide il centro di massa.

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Calcolo ZMP: consideriamo un robot formato da n links, ogni singolo link saràsoggetto a delle forze a a dei momenti.

Dove Fi è la sommatoria di tutte le forze (inerziali, gravitazionali, vincolari) con punto di applicazione definito dal vettore Ri riferito rispetto il cm. Ti e il momento dei motori applicato al link e Rz rappresenta il vettore che definisce lo ZMP (tutti i vettori sono riferiti rispetto il sdr assoluto).

Per avere stabilità imponiamo che il momento totale agente sul robot rispetto ad al punto incognito (X,Y,Z) sia nullo.

Se scomponiamo l’equazione nelle tre componenti:

Imponendo Z=0 per trovare la proiezione sul piano e risolvendo rispetto X e Y:

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Determiniamo le coordinate dello ZMP:

Oss: Solitamente il calcolo dello ZMP deve essere fatto off-line a meno di non stimare (on-line) le forze inerziali sulla base di un modello cinematico-dinamico del robot in modo da poter predire dove cadrà lo ZMP negli istanti successivi.

Il calco dello ZMP on-line permette di sintetizzare l’andatura in real-time sulla base degli eventi che accadono (ostacoli imprevisti) tuttavia richiede una elevata potenza di calcolo.

Alcuni esempi di Robot Bipedi

Wabian-2: (Waseda University, 2002) esempio di bipede a dinamica attiva.

Altezza: 1.20 m

Peso: 50 Kg (con batterie)

DOF: 16, 3x2 anca, 1x2 ginocchio, 3x2 caviglia + 2 nel bacino.

Sensori: 6 sensori di forza 3D (forza/momento)+ giroscopio + accelerometro

Motori: Dc brush-less

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- La presenza di due gradi di libertà nel bacino permette di ottenere posture impensabili con le strutture cinematiche tradizionali (solitamente posizione e orientamento dei piedi impone una sola configurazione per gli altri giunti).

Sistema di Controllo: il sistema di controllo è costituito da un PC (Pentium3)equipaggiato con una scheda di acquisizione (16 D/A per controllare i motori, 16 Contatori, 16 linee digitali di I/O)+ una scheda per l’acquisizione dai sensori di forza + una scheda A/D per stimare le coppie motrici.

- Il robot è in grado di effettuare una camminata dinamica, e di cambiare direzione di marcia.

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- Grazie ai gradi di libertà aggiuntivi nel bacino è possibile ottenere una camminata con ginocchio bloccato: