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Analysis of Human Push Recovery Motions Based on Optimization

Kopitzsch, Ruth Malin

German Title: Analyse gestörter menschlicher Laufbewegungen Basierend auf Optimierung

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Abstract

The ability to cope with large perturbations is essential to avoid falling for humans as well as for humanoid robots. Every day millions of people are affected by injuries due to falling. This is a huge problem not only for the individuum but also for the society as it costs the health care systems billions of euros. Also in the field of humanoid robots fall avoidance is very important as it protects robots against breakage. In this thesis, the problem of fall avoidance is addressed using a combination of optimization, human-modeling and recorded push recovery motions. The aim is to identify the principles that lead to human-like push recovery motions. The human is modeled by rigid segments combined by joints leading to an underactuated multi-body representation. These models are included in multiple stage optimal control problems to reconstruct and sythesize human push recovery motions considering the dynamics of a human over the whole time horizon. Due to the high nonlinearity, the optimization problem is solved based on a direct multiple shooting method. To analyze the human push recovery motions, dynamically-consistent motions for the model that closely track experimental data are produced. The joint angles and joint torques for the human model controlled by joint torque derivatives are compared for perturbed and unperturbed motions from two subjects. The results verify the assumption that the heavier the perturbation is and the higher it is applied at the upper body, the larger are the resulting joint torques. We show that including optimally chosen spring-damper elements in the joints can reduce the active joint torques significantly. We further exploit our motion reconstruction approach to determine the states that are most affected during a perturbation. Relevant parameters such as the orientation and position of the head and body, joint angles and torques of the perturbed motions are analyzed for deviations to the unperturbed motions at the point in time when the push occurs. Identifying the point in time when the model states of the perturbed motions differ from the unperturbed motions, the reaction times are determined. To better understand human push recovery motions, we also investigate in a motion sythesis approach. This approach enables a control hypothesis, in the form of a specific objective function, to be formed. The minimization of effort combined with a periodicity formulation results in human-like motions and the influence of the push strength is analyzed. Formulating the objective function as a weighted linear combination of possible optimality criteria provides the possibility to analyze different optimality criteria and their resulting motion. The difficulty is, that for a given motion, it is not known, which criteria lead to that specific motion. In this thesis, the results for different basal objective functions are analyzed. These studies prepare to determine the optimal weights of the criteria by including the presented motion generation formulation in an inverse optimal control problem. Having analyzed general weights that lead to a good approximation of the human recovery motions, the resulting objective function can be used to generate push recovery motions also for humanoid robots or assistive devices such as exoskeletons. To show another application in the improvement of technical assistive devices, we include two combined human exoskeleton models of different weights in our calculations. This allows us to analyze the joint torques for these models including the exoskeletons and compare the results to a human model. As the resulting joint torques are quite large, we also formulate combined human exoskeleton models with passive spring-damper elements that act in parallel to the active torques. This compliant formulation leads to a significant reduction of the active joint torque needed for the recovery motion. The reduction of the active joint torques allows the reduction of energy needed for the recovery motion or can enable the recovery from stronger perturbations.

Translation of abstract (German)

Auf große Störungen während des Laufens zu reagieren, ist sowohl für Menschen als auch für humanoide Roboter essentiell, um nicht hinzufallen. Jeden Tag verletzen sich Millionen von Menschen in Folge von Stürzen. Dies ist nicht nur für die Betroffenen, sondern auch für die Gesellschaft ein großes Problem, da es die Gesundheitssysteme jährlich Milliarden Euro kostet. In dieser Arbeit wird eine Kombination aus Optimierung, Mensch-Modellen und aufgezeichneten gestörten Laufbewegungen verwendet, um besser zu verstehen, wie Menschen Störungen während des Laufens wahrnehmen. Das Ziel dieser Arbeit ist, Grundprinzipien zu bestimmen, die den menschlichen Bewegungen zur Sturzvermeidung zu Grunde liegen. Der Mensch wird durch starre Segmente, die mit Gelenken miteinander verbunden sind, modelliert. Dies resultiert in einem unteraktuierten Mehrkörpersystem. Das Modell des Menschen wird in ein mehrphasiges Optimalsteuerungsproblem einbezogen, um die menschlichen Bewegungen zur Sturzvermeidung rekonstruieren und generieren zu können. Die Dynamik des Menschen wird dabei über den gesamten Zeitraum berücksichtigt. Auf Grund der starken Nichtlinearität wird das Optimierungsproblem mit einer auf Mehrfachschießen basierenden Methode gelöst. Mit Hilfe der Kombination von Optimierung und Modellierung werden dynamisch konsistente Bewegungen für das Modell generiert, welche sehr nah an den experimentell erzeugten Daten sind. Die Gelenkwinkel und die Momente in den Gelenken des Menschmodells, welches durch die Ableitungen der Momente in den Gelenken gesteuert wird, werden für gestörte und ungestörte Bewegungen von zwei Probanden verglichen. Die Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass umso stärker die Störung ist und umso höher die Störung am Rücken angebracht wird, desto höher sind die Momente, die für die Auffangbewegungen nötig sind. Wir zeigen außerdem, dass optimal gewählte Feder-Dämpfer-Elemente in den Gelenken die aktiven Momente in den Gelenken deutlich verringern. Außerdem untersuchen wir Zustände, die am meisten durch eine Störung betroffen sind und einen Hinweis auf eine Störung geben können. Die Reaktionszeiten von Beginn der Störung bis zu einer erkennbaren Änderung der Modellzustände werden untersucht. Um ein besseres Verständnis menschlicher Sturzvermeidungsbewegungen zu erlangen, verfolgen wir außerdem die Methode der Bewegungserzeugung. Eine Steuerungsmethode wird in Form einer bestimmten Zielfunktion formuliert. Mit einer Periodizitätsformulierung in Kombination mit der Minimierung des Aufwandes konnten menschenähnliche Bewegungen erzeugt werden. Auf der Grundlage dieser Methode wird der Einfluss der Störungsstärke analysiert. Für ein Set unterschiedlicher Zielfuntionen werden gestörte Laufbewegungen generiert und mit Referenzdaten verglichen. Diese Untersuchungen zielen darauf ab, eine Zielfunktion als gewichtete Linearkombination der verschiedenen Kriterien in ein Inverses Optimalsteuerungsproblem zu integrieren und optimale Zielfunktionen zu generieren, welche zu menschenähnlichen Bewegungen führen. Diese Zielfunktion können dann auch verwendet werden, um Auffangbewegungen für z.B. humanoide Roboter oder Exoskelette zu berechnen. Die Kombination aus Modellierung, Optimierung und Referenzdaten wird außerdem an zwei kombinierten Mensch-Exoskelett-Modellen angewendet, was zur Verbesserung dieser Unterstützungstechnologien führt. Die Verwendung ermöglicht uns die Gelenke in den Momenten zu berechnen, die ein Exoskelett für die Auffangbewegungen benötigt. Da die berechneten Momente relativ hoch sind, formulieren wir ein kombiniertes Mensch-Exoskelett-Modell mit passiven Feder-Dämpfer-Elementen, welche parallel zu den aktiven Momenten in den Gelenken wirken. Diese Formulierung führt zu einer deutlichen Verringerung der benötigten aktiven Momente in den Gelenken für die Auffangbewegungen. Eine solche Verringerung kann Energieeinsparungen oder das Abfangen stärkerer Störungen bei gleichem Kraftaufwand durch das Exoskelett ermöglichen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Mombaur, Prof. Dr. Katja
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 28 January 2020
Date Deposited: 31 Jan 2020 13:39
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Mathematics and Computer Science > Department of Applied Mathematics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
510 Mathematics
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