Intelligentes Gehen bei Menschen und Robotern

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Roy Müller; Professor Dr. Daniel J. Rixen
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327485414

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In der ersten Phase des Projekts wurde der Gang des Menschen mit dem eines humanoiden Roboters (Lola) verglichen. Der Gang des Menschen weist spezifische Muster auf: Die während eines Gangzyklus auf den Boden ausgeübten Kräfte sind immer auf einen virtuellen Drehpunkt gerichtet, der sich oberhalb des menschlichen Masseschwerpunkts (CoM) befindet, wodurch gewährleistet wird, dass der Oberkörper aufrecht gehalten wird (Stabilität). Diese Beobachtung wird als virtueller Drehpunkt (Virtual Pivot Point, VPP) bezeichnet. Der Humanoide Lola zeigt beim Gehen keinen VPP, was darauf hindeutet, dass sein Gang zwar menschenähnlich aussieht, das durch die Planungs- und Kontrollstrategie eines Humanoiden erzeugte Gangbild sich jedoch stark von der vom Menschen entwickelten Strategie (die zu einem VPP führt) unterscheidet. Dieses Folgeprojekt war in zwei Teile gegliedert, A und B. In Teilprojekt A zeigte die Analyse früherer Experimente, dass ein VPP auch während der doppelten Stützphase des Menschen existiert und sich beim Gehen oberhalb des CoM und beim Laufen unterhalb des CoM befindet. Es wurde auch festgestellt, dass sich die vertikale VPP-Position zwischen Personen mit Down Syndrom und gesunden Personen nicht unterscheidet. Neue Messungen zeigten, dass das Vorhandensein eines VPP immer noch beobachtet wird, wenn Menschen den Gang von Lola imitieren oder der Verlauf des Druckzentrums am Fuß manipuliert wird. Das deutet darauf hin, dass das Gehen ohne VPP eine erhebliche Störung des Muskel-Skelett-Systems erfordern würde. Dies wird auch durch Simulationsergebnisse nahegelegt, bei denen große Abweichungen im VPP während des stabilen Gehens erzielt werden konnten, und bei denen gezeigt wurde, dass experimentell beobachtete antizipatorische Muskelanpassungen die Robustheit gegenüber Hintergrundänderungen erhöhen. In Teilprojekt B wurden die Bewegungsmuster des Roboters Lola durch Variation der Steuerungsparameter verändert, um zu untersuchen, ob Lola möglicherweise eine VPP aufweisen könnte. Auch dann zeigen die Bodenreaktionskräfte keinen Schnittpunkt im Sinne einer VPP und es war nicht möglich, mit den aktuellen Betriebsstrategien eine solche VPP in Lola einzustellen. Bei der Analyse der Kräfte und Momente, die in Lola wirken, und der Dynamik ihrer verschiedenen Teile entdeckten wir, dass das Fehlen eines VPP in Lola letztlich durch die großen Interaktionskräfte und -momente erklärt werden kann, die zwischen Lolas Hüften und Beinen während des Gehens erzeugt werden. Diese Wechselwirkungen sind eine direkte Folge der von Lola verwendeten Planungsstrategie. Diese Beobachtungen führten zu neuen Ideen, die in Zukunft genutzt werden sollen, um das Design und die Steuerung von Humanoiden zu überdenken und so effizientere Laufmuster für humanoide Roboter zu entwickeln.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Quintic Spline Collocation for Real-Time Biped Walking-Pattern Generation with variable Torso Height. 2019 IEEE-RAS 19th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), 56-63. IEEE.
  Seiwald, Philipp; Sygulla, Felix; Staufenberg, Nora-Sophie & Rixen, Daniel
  
• Negotiating ground level perturbations in walking: Visual perception and expectation of curb height modulate muscle activity. Journal of Biomechanics, 113, 110121.
  Müller, Roy; Vielemeyer, Johanna & Häufle, Daniel F.B.
  
• Postural stability in human running with step-down perturbations: an experimental and numerical study. Royal Society Open Science, 7(11), 200570.
  Drama, Özge; Vielemeyer, Johanna; Badri-Spröwitz, Alexander & Müller, Roy
  
• Ground reaction forces intersect above the center of mass in single support, but not in double support of human walking. Journal of Biomechanics, 120, 110387.
  Vielemeyer, Johanna; Müller, Roy; Staufenberg, Nora-Sophie; Renjewski, Daniel & Abel, Rainer
  
• LOLA v1.1 – An Upgrade in Hardware and Software Design for Dynamic Multi-Contact Locomotion. 2020 IEEE-RAS 20th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), 9-16. IEEE.
  Seiwald, Philipp; Wu, Shun-Cheng; Sygulla, Felix; Berninger, Tobias F. C.; Staufenberg, Nora-Sophie; Sattler, Moritz F.; Neuburger, Nicolas; Rixen, Daniel & Tombari, Federico
  
• Evaluating anticipatory control strategies for their capability to cope with step-down perturbations in computer simulations of human walking. Scientific Reports, 12(1).
  Schreff, Lucas; Haeufle, Daniel F. B.; Vielemeyer, Johanna & Müller, Roy
  
• A Study on the Intersection of Ground Reaction Forces during Overground Walking in Down Syndrome: Effects of the Pathology and Left–Right Asymmetry. Symmetry, 15(2), 544.
  Vielemeyer, Johanna; Sole, Cristina; Galli, Manuela; Zago, Matteo; Müller, Roy & Condoluci, Claudia
  
• Walking like a robot: do the ground reaction forces still intersect near one point when humans imitate a humanoid robot?. Royal Society Open Science, 10(5).
  Vielemeyer, Johanna; Staufenberg, Nora-Sophie; Schreff, Lucas; Rixen, Daniel & Müller, Roy
  
• ‘Virtual pivot point’ in human walking: Always experimentally observed but simulations suggest it may not be necessary for stability. Journal of Biomechanics, 153, 111605.
  Schreff, Lucas; Haeufle, Daniel F.B.; Badri-Spröwitz, Alexander; Vielemeyer, Johanna & Müller, Roy