Fehlerdiagnose und -toleranz für elastische Antriebssysteme in der Robotik: Physische Mensch-Roboter-Interaktion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Philipp Beckerle
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Arbeitswissenschaft, Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277880821

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Wahrung von Sicherheit und Zuverlässigkeit ist wichtig für robotische Systeme, besonders für tragbare Roboter wie Prothesen und Orthesen, bei denen eine enge Mensch-Roboter-Interaktion besteht. Die Verwendung elastischer Elemente zwischen dem robotischen System und den Nutzenden ist ein vielversprechender Ansatz, um die Sicherheit zu verbessern, indem die Stoßkräfte durch elastische Verformung reduziert werden. Eine zuverlässige Bewegungssteuerung kann jedoch eine Herausforderung sein, da sie eine genaue Kenntnis der Eigenschaften des Aktuators erfordert. Dieses Projekt befasste sich mit der Verbesserung der Zuverlässigkeit von elastischen Aktuatoren während physischer Mensch-Roboter-Interaktion (pHRI). Fehler, die die elastischen Eigenschaften dieser Aktoren verändern, können zu einem Verlust an Präzision oder unsicherem Verhalten führen. In diesem Projekt wurde eine fehlertolerante Regelungsstrategie entwickelt, die Fehler elastischer Elemente in unterschiedlichen Aktuatorsystemen erkennen und für den korrekten Betrieb und eine sichere Interaktion kompensieren kann. In funktionalen Experimenten wurde die Impedanzregelung elastischer Aktuatoren in Kombination mit Methoden zur Fehlererkennung untersucht. Durch Parameteradaption ermöglicht die Regelungsstrategie eine genaue Bewegungskontrolle bei künstlich eingebrachten Steifigkeitsabweichungen und während der Interaktion mit Nutzenden. Der grundlegende Ansatz erlaubt zudem die Anwendung auf elastische Aktuatoren mit unterschiedlichen mechanischen Strukturen unter Berücksichtigung nichtlinearer und redundanter Eigenschaften, wobei eine fehlertolerante Interaktionssteifigkeit für die Nutzenden gewährleistet wird. In psychophysikalischen und psychometrischen Studien wurde das Erleben und die Reaktion der Nutzenden auf elastische Fehler während der Interaktion untersucht. Das erste Experiment untersuchte die Schwellenwerte der menschlichen Steifigkeitswahrnehmung und zeigte die Relevanz der Veränderung der gefühlten Trägheitseigenschaften für die Anpassung der Interaktionssteifigkeit. Eine zweite Nutzendenstudie mit einer Knieorthese untersuchte die Auswirkungen von elastischen Fehlern beim Gang mit Drehmomentunterstützung für das Kniegelenk. Die Ergebnisse zeigen, dass die Teilnehmenden Änderungen des Unterstützungsniveaus aufgrund von Fehlern wahrnehmen konnten. Wurden diese Fehler jedoch kompensiert, waren die von den Teilnehmenden wahrgenommenen Unterschiede des Unterstützungsniveaus geringer. Insgesamt zeigen die Ergebnisse des Projekts die Effektivität der entwickelten Methoden für Fehlerdiagnose und Fehlertoleranz für elastische Antriebssysteme bei der genauen Umsetzung von Bewegungsabläufen und der Unterstützung von Menschen (z. B. beim Gehen). Das Projekt verdeutlicht die Relevanz der Entwicklung von Methoden zur Erkennung und Kompensation von Fehlern in Echtzeit, wodurch sichergestellt wird, dass die Robotersysteme während des Betriebs in pHRI-Anwendungen sicher und zuverlässig bleiben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Practical relevance of faults, diagnosis methods, and tolerance measures in elastically actuated robots. Control Engineering Practice, 50, 95–100.
  Beckerle, Philipp
  
• Human-like hopping in machines. Biological Cybernetics, 113(3), 227-238.
  Oehlke, Jonathan; Beckerle, Philipp; Seyfarth, André & Sharbafi, Maziar A.
  
• A Hopping Robot Driven by a Series Elastic Dual-Motor Actuator. IEEE Robotics and Automation Letters, 4(3), 2310-2316.
  Verstraten, Tom; Furnemont, Raphael; Beckerle, Philipp; Vanderborght, Bram & Lefeber, Dirk
  
• An introductory review of active compliant control. Robotics and Autonomous Systems, 119, 185-200.
  Schumacher, Marie; Wojtusch, Janis; Beckerle, Philipp & von Stryk, Oskar
  
• Fault-Tolerant Physical Human-Robot Interaction via Stiffness Adaptation of Elastic Actuators. Springer Proceedings in Advanced Robotics, 73-87.
  Stuhlenmiller, Florian; Velasco-Guillen, Rodrigo J.; Rinderknecht, Stephan & Beckerle, Philipp
  
• Redundancy in Biology and Robotics: Potential of Kinematic Redundancy and its Interplay with Elasticity. Journal of Bionic Engineering, 17(4), 695-707.
  Verstraten, Tom; Schumacher, Christian; Furnémont, Raphaël; Seyfarth, Andre & Beckerle, Philipp
  
• Adjustable Compliance and Force Feedback as Key Elements for Stable and Efficient Hopping. IEEE Robotics and Automation Letters, 6(4), 6797-6804.
  Galljamov, Rustam; Ahmadi, Arjang; Mohseni, Omid; Seyfarth, Andre; Beckerle, Philipp & Sharbafi, Maziar A.
  
• A Stiffness-Fault-Tolerant Control Strategy for a Redundant Elastic Actuator. 2022 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 1360-1365.
  Velasco-Guillen, Rodrigo J.; Furnemont, Raphael; Verstraten, Tom & Beckerle, Philipp
  
• Experimental Evaluation of a Stiffness-Fault-Tolerant Control Strategy on an Elastic Actuator for Wearable Robotics. 2022 9th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), 1-6.
  Velasco-Guillen, Rodrigo J.; Grosu, Victor; Vanderborght, Bram; Font-Llagunes, Josep M. & Beckerle, Philipp
  
• Human-in-the-Loop Optimization of Wearable Robotic Devices to Improve Human–Robot Interaction: A Systematic Review. IEEE Transactions on Cybernetics, 53(12), 7483-7496.
  Díaz, María Alejandra; Voß, Matthias; Dillen, Arnau; Tassignon, Bruno; Flynn, Louis; Geeroms, Joost; Meeusen, Romain; Verstraten, Tom; Babič, Jan; Beckerle, Philipp & De Pauw, Kevin