ATHLETIC: Pseudo Anthropometric Exoskeleton with a Semi Passive Actuation System for Countermeasure

This paper presents the ongoing ESA project ATHLETIC (AstronauT HeaLtH EnhancemenT Integrated Countermeasure) which aims to develop a new approach of integrated countermeasure device in the shape of an exoskeleton. It focuses primarily on the training of the lower limbs, which are the most heavily affected body parts while astronauts are exposed to microgravity. The ATHLETIC system enables High Intense Resistive Training exercises (HIRT), as well as plyometric exercises such as hopping and jumping. Development and validation shall give an answer to the question if exoskeleton technology is suitable for countermeasure in zero gravity and how such a system performs compared to existing countermeasure devices for zero gravity applications

Hybride Steuerung parallel gekoppelter Aktoren am Beispiel des humanoiden Roboters Myon

Die motorischen Fähigkeiten humanoider Roboter werden häufig von antriebsbedingten Nichtlinearitäten und Reibungseffekten negativ beeinflusst. Zur deren Kompensation werden üblicherweise modellbasierte Regelkreise genutzt, die i.d.R. von einer hochfrequenten Signalverarbeitung und mehreren Sensorqualitäten abhängen. Entgegen solch modellbasierten Techniken werden in der vorliegenden Arbeit modellfreie Steuerungsmethoden auf Basis parallel gekoppelter Antriebe entwickelt. Zur Entwicklung und Untersuchung dieser Steuerungsmethoden wird nach der von Pfeifer in seinem Werk “How the body shapes the way we think” beschriebenen synthetischen Methodik vorgegangen. Entgegen modellbasierten Untersuchungen auf Basis von Simulationen stehen bei der synthetischen Methodik empirische Untersuchungen am realen System im Vordergrund. Als Ausgangspunkt dienen konventionelle elektromechanische Antriebe mit deren bekannten leistungseinschränkenden Nichtlinearitäten und Reibungseffekten. Durch die parallele Kopplung mehrerer Antriebe an einem einzelnen Gelenk wird das Spektrum der Steuerungsmöglichkeiten deutlich erweitert. Es zeigt sich, dass (1) durch eine konstante antagonistische Vorspannung das Arbeitsverhalten von konventionellen Proportionalreglern optimiert werden kann, (2) durch dynamische asymmetrische Änderung der Vorspannung Nichtlinearitäten bei niedrigen Geschwindigkeiten ausgeglichen werden können und (3) getriebebedingte Reibungseffekte mit einer phasenverschobenen Pulsmodulation der Steuersignale kompensiert werden können. Weiterhin wird gezeigt, wie die erarbeiteten Steuerungsmethoden auf beliebig viele parallel gekoppelte Antriebe übertragen werden können. Für den praktischen Einsatz der Steuerungsmethoden werden diese in einer hybriden Steuerung zusammengeführt. Diese wird durch eine weitere Funktion, den Energiesparmodus beim Halten statischer Positionen, ergänzt und am humanoiden Roboter Myon implementiert und experimentell evaluiert.Motor functions of humanoid robots are often negatively influenced by nonlinearities and friction effects of the actuators. The popular means of compensation are control circuits based on modelling, which rely on powerful HF Signal processing and various sensor qualities. In contrast, this thesis develops non-modelling control methods based on parallel coupled actuators. Development and exploration of these control methods follow Pfeifer’s synthetic methodology as described in his work “How the body shapes the way we think”. In contrast to the analysis based on emulation as used in modelling, the synthetic methodology focuses rather on empirical tests within the real system. The present work explores control methods for parallel coupled actuators for use in robot points. It starts from conventional electromechanical actuators with their known power limiting nonlinearities and frictional effects. Linking several parallel coupled actuators to a single joint significantly expands the spectrum of control capabilities. Using two parallel coupled actuators as an example, it is examined to which extent undesirable properties of single actuators can be compensated. The results show that (1) the Performance of conventional proportional controllers can be optimized by a constant antagonistic bias voltage, (2) nonlinearities at low velocities can be balanced out by a dynamic asymmetrical adjustment of the bias, and that (3) gear related frictional effects can be compensated by a phase shifted pulse modulation of the control signals. In addition, it is shown how the developed control methods can be applied to a random number of parallel coupled actuators. For practical use, the various control methods are combined in a hybrid control, which is supplemented by an energy saving mode when maintaining static positions. The hybrid control is being implemented into the humanoid robot Myon and evaluated by experiment

Neue Herausforderungen = neue Ansätze: Evaluation zweier neuer Trainingsgeräte für Deep-Space Missionen

Einleitung: Fehlende Schwerkraft führt zu Anpassungen des menschlichen Körpers, unter anderem zu Verlust von Muskel- und Knochenmasse. Als Gegenmaßnahme ist vor allem bei längeren Aufenthalten in der Schwerelosigkeit ein Krafttraining zwingend erforderlich um die Gesundheit der Astronauten zu gewährleisten. Außerdem wird bei zukünftigen Deep-Space-Missionen der Platz für Trainingsgeräte in den Raumschiffen deutlich geringer. Daher müssen neue platzsparende, sehr vielseitig einsetzbare Trainingsgeräte konzipiert werden. Im Rahmen zweier ESA-Studien wurden zwei neue Konzepte entwickelt: ATHLETIC (ESA Contract No. AO/1-9473/18/NL/RA) basiert auf dem Konzept eines Exoskeletts, NEX4EX (ESA Contract No. AO/1-9369/18/NL/KML) arbeitet als Sprungplatte mit einem geführten Schlitten. Fragestellung: Kann mit diesen neuartigen Trainingsgeräten sowohl ein plyometrisches Training als auch intensives Krafttraining durchgeführt werden, dass in den Kräften und Bewegungsabläufen einem Referenztraining auf der Erde entspricht? Methodik: 11 (NEX4EX) bzw. 10 (ATHLETIC) Probanden wurden im Rahmen der Evaluierung untersucht. Ermittelt wurden mechanische Parameter wie Bodenreaktionskraft, Sprunghöhe, Bewegungsamplitude sowie Muskelaktivierung mittels Elektromyografie. Die Werte auf den neuen Trainingsgeräten wurden jeweils relativ auf die entsprechenden Werte eines Referenztrainings bezogen. Das plyometrische Training bestand aus Countermovement Sprüngen sowie reaktivem Hüpfen. Das Krafttraining bestand aus Kniebeugen sowie Fersenhebern, beim Referenzkrafttraining mit zusätzlicher Belastung von 50% Körpergewicht. Das Training mit den neuen Geräten wurde in horizontaler Rückenlage zur Vermeidung der Schwerkraftkomponente durchgeführt. Ergebnisse: Das Training auf den neuen Geräten konnte im Vergleich nur mit verminderten Kräften durchgeführt werden, woraus im Mittel verminderte Aktivierungslevel der Muskulatur resultierten. Die mechanischen Ergebnisse wiesen große individuelle Unterschiede auf, abhängig von der relativ zum Körpergewicht aufgebrachten Belastung durch die Trainingsgeräte sowie der individuellen Bewegungskoordination. Im Mittel waren die Ergebnisse der mechanischen Parameter verringert beim Training mit den neuen Geräten. Schlussfolgerungen: Sowohl effektives Krafttraining als auch plyometrisches Training ist mit beiden Trainingsgeräten möglich, allerdings mit verminderter Kraft im Vergleich zum Referenztraining. Zukünftig sollten im Vorhinein einige Trainingseinheiten mit verminderter Kraft zum Erlernen der korrekten Bewegungskoordination erfolgen, wodurch ein Training mit erhöhter Belastung ermöglicht werden sollte. Weitere Studien zur Effektivität sowie während Parabelflügen sollten folgen. Kleinere Verbesserungen an den Geräten sind notwendig um die Natürlichkeit der Bewegung der Probanden zu steigern

HOTDOCK: Design and Validation of a New Generation of Standard Robotic Interface for On-Orbit Servicing

This paper presents the design and validation of HOTDOCK, a new generation of standard interface for on-orbit and planetary applications providing mechanical, power, data and thermal coupling capabilities between payloads and spacecraft, between spacecraft modules and as end-effector of robotic manipulators. The provision of standard interfaces in the design of spacecraft buses and payload modules will become essential to enable the emerging LEO/GEO on-orbit robotic servicing market. That includes payload management for spacecraft maintenance and reconfiguration, large structures assembly in space and de-orbiting operations. Standard interfaces are also highly interesting for supporting robotic operations in future deep space missions (LOP-G, Moon and Mars surface operations). HOTDOCK features a compact and fully integrated androgynous and 90-degree symmetrical design. The external form-fit geometry supports mating trajectories in a cone of up to 130-degrees, allowing for simultaneous connection of three orthogonally mounted interfaces. The unique patented coupling mechanism, along the circumference, allows stiff mechanical structural coupling with high load transfer. A central connection plate, equipped with spring-loaded POGO pin connectors, offers re-configurable and switchable electrical power as well as bi-directional high rate data transfer between connected subsystems. HOTDOCK can be optionally equipped with a fluidic transfer capability for thermal cooling on top of the regular thermal conduction between two units. In its nominal configuration called Active, HOTDOCK provides an actuation mechanism for the mating as well as integrated control and interface electronics. A purely passive version, without active components, has also been developed to offer a lower cost, volume and mass version. Both Active to Active and Active to Passive connections are possible, allowing in each case power, data and thermal transfer capabilities. HOTDOCK has been adopted as the reference Standard Interface in three projects of the European Commission’s H2020 Space Robotic Technologies cluster(OG8 PULSAR, OG9 MOSAR and OG11 PRO-ACT). They respectively address large structure assembly in space, modular satellite reconfiguration, and collaborative robotic planetary operations. More than 50units are currently being produced for integration in several ground demonstrators (TRL 4). Furthermore, HOTDOCK is used as part of the Michigan Technical University “T-REX” project awarded by NASA (BIG Idea Challenge)

Language Grounding in Robots

Steels, Luc; Hild, Manfred (eds.).Written by leading international experts, this volume presents contributions establishing the feasibility of human language-like communication with robots. The book explores the use of language games for structuring situated dialogues in which contextualized language communication and language acquisition can take place. Within the text are integrated experiments demonstrating the extensive research which targets artificial language evolution. Language Grounding in Robots uses the design layers necessary to create a fully operational communicating robot as a framework for the text, focusing on the following areas: Embodiment; Behavior; Perception and Action; Conceptualization; Language Processing; Whole Systems Experiments. This book serves as an excellent reference for researchers interested in further study of artificial language evolution.N