WALK-MAN Humanoid Platform

Tsagarakis, Nikos G.; Negrello, Francesca; Garabini, Manolo; Choi, Wooseok; Baccelliere, Lorenzo; Loc, Vo-Gia; Noorden, Jerryll H.; Catalano, Manuel G.; Ferrati, Mirko; Muratore, Luca; Kryczka, Przemyslaw; Hoffman, Enrico Mingo; Settimi, Alessandro; Rocchi, Alessio; Margan, Alessio; Cordasco, Stefano; Kanoulas, Dimitrios; Cardellino, Alberto; Natale, Lorenzo; Dallali, Houman; Malzahn, Jörn; Kashiri, Navvab; Varricchio, Valerio; Pallottino, Lucia; Pavan, Corrado; Lee, Jiaxin; Ajoudani, Arash; Caldwell, Darwin G.; Bicchi, Antonio

doi:10.1007/978-3-319-74666-1_13

Cited by 5 publications

(6 citation statements)

References 51 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…In recently developed systems were adopted this pendulum-like structure by taking the knee (F/E) actuator to hip level and the toe (ankle) joint actuator to knee level, and connecting all these transferred actuators with a four-bar-linkage [18]. This actuator design is also implemented in other systems to reduce leg inertia [19].…”

Section: Mechatronics Hardware Development a Leg Design Approachmentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Co-Ex: A Torque-Controllable Lower Body Exoskeleton for Dependable Human-Robot Co-existence

Yildirim

Kansizoglu

Emre

et al. 2019

2019 IEEE 16th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR)

View full text Add to dashboard Cite

In this paper, we present our research study concerning the design and development of an exoskeleton that aims to provide 3D walking support with minimum number of actuators. Following a prior simulation study, the joint configuration was primarily determined. In order for the exoskeleton to possess advanced characteristics, the following design criteria were investigated: i) all the actuators (hip/knee/ankle) were deployed around the waist area to decrease leg weight and improve wearability, ii) custom-built series elastic actuators were used to power system for high fidelity torque-controllability, iii) 3D walking support is potentially enabled with reduced power requirements. As a result, we built the first actual prototype to experimentally verify the aforementioned design specifications. Furthermore, the preliminary torque control experiments indicated the viability of torque control.

show abstract

Section: Mechatronics Hardware Development a Leg Design Approachmentioning

confidence: 99%

“…Because of these reasons, already suggested [27], [28] structures were not preferred. However, robots and exoskeletons use rigid four-bar and five-bar mechanisms to transfer motion [18], [19], [29]. By considering these aforementioned linkage structures power transmission of the joints was done through four-bar mechanisms.…”

Section: Exoskeleton Designmentioning

confidence: 99%

Co-Ex: A Torque-Controllable Lower Body Exoskeleton for Dependable Human-Robot Co-existence

Yildirim

Kansizoglu

Emre

et al. 2019

2019 IEEE 16th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR)

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…For this mission, we developed a prototype robotic platform based on the WALK-MAN technology [10] and on the specifications determined by the scenario requirements, listed in Table 1. The robot consists of a wheeled base for better stability and a humanoid upper body for visual inspection and manipulation task completion [ Figure 4(b)].…”

Section: Robotmentioning

confidence: 99%

“…This article focuses on the modifications and development of new components to add ress the chall enges posed by very specific postearthquake scenarios. A detailed description of the WALK-MAN hardware and software architecture can be found elsewhere [10].…”

mentioning

confidence: 99%

Humanoids at Work: The WALK-MAN Robot in a Postearthquake Scenario

Negrello

Settimi

Caporale

et al. 2018

IEEE Robot. Automat. Mag.

View full text Add to dashboard Cite

T oday, human intervention is the only effective course of action after a natural or artificial disaster. This is true both for relief operations, where search and rescue of survivors is the priority, and for subsequent activities, such as those devoted to building assessment. In these contexts, the use of robotic systems would be beneficial to drasti cally reduce operators' risk exposure. However, the readiness level of robots still prevents their effective exploitation in relief operations, which are highly critical and characterized by severe time constraints. On the contrary, current robotic technologies can be profitably applied in procedures like building assessment after an earthquake. To date, these operations are carried out by engineers and architects who inspect numerous buildings over a large territory, with a high cost in terms of time and resources, and with a high risk due to aftershocks. The main idea is to have the robot acting as an alter ego of the human operator, who, thanks to a virtual-reality device and a body-tracking system based on inertial sensors, teleoperates the robot. The goal of this article is to discuss the exploitation of the perception and manipulation capabilities of the WALK-MAN robot for building assessment in areas affected by earthquakes. The presented work illustrates the hardware and software characteristics of the developed robotic platform and results obtained with field testing in the real earthquake scenario of Amatrice, Italy. Considerations on the experience and feedback provided by civil engineers and architects engaged in the activities are reported and discussed.

show abstract

“…WALK-MAN [122][123][124] is a humanoid robot designed and constructed by the Instituto Italiano di Tecnhologia (IIT) within the context of the European WALK-MAN integrated project, funded in 2013. The robot has dimensions similar to the dimensions of an adult human, as evident in Figure 6.4.…”

Section: Serow Integrated With Walk-manmentioning

confidence: 99%

Robust nonlinear state estimation for humanoid robots

Piperakis¹,

Πιπεράκης²

View full text Add to dashboard Cite

Η εκτίμηση του Κέντρου Μάζας (CoM) διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στη ρομποτική βάδιση. Οι περισσότεροι σχεδιαστές κίνησης και ελεγκτές βάδισης πραγματικού χρόνου υποθέτουν ότι η θέση και η ταχύτητα του CoM είναι διαθέσιμες για ανατροφοδότηση ανά πάσα στιγμή. Σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζουμε έναν από τους πρώτους τρισδιάστατους εκτιμητές κατάστασης CoM για το περπάτημα των ανθρωποειδών ρομπότ. Ο προτεινόμενος εκτιμητής συνδυάζει αποτελεσματικά τις μετρήσεις από αισθητήρες πίεσης στα πόδια, κωδικοποιητές στις αρθρώσεις και αδρανειακής μονάδας (IMU) στο σώμα με ένα Εκτεταμένο Φίλτρο Κάλμαν (EKF) για την ακριβή εκτίμηση τόσο της θέσης και της ταχύτητας του CoM αλλά και των εξωτερικών δυνάμεων που δρουν πάνω σε αυτό. Επιπλέον, λαμβάνει υπόψιν την ανωμαλότητα του εδάφους και την στροφορμή του σώματος με αποτέλεσμα να συνδυάζει το μετωπικό με το πλευρικό επίπεδο κίνησης, χωρίς να βασίζεται σε αισθητήρες δύναμης / ροπής (F/T) στα πόδια. Ωστόσο, είναι κοινή πρακτική να επιχειρείται η μετατροπή των μετρήσεων σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς ώστε η εκτίμηση του CoM να γίνεται σε σχέση με αυτό. Κατά συνέπεια, για την επίτευξη του παραπάνω είναι υποχρεωτικό να συνεκτιμηθούν η βάση και το πόδι στήριξης του ρομπότ. Για το σκοπό αυτό, επεκτείνουμε έναν καθιερωμένο στη βιβλιογραφία εκτιμητή αιωρούμενης μάζας με τη δυναμική του ποδιού στήριξης χρησιμοποιώντας μετρήσεις κινηματικής και αδρανειακής μονάδας με το Φίλτρο Κάλμαν Σφάλματος Κατάστασης (ESKF) για την κατάλληλη διαχείριση της υπερ-παραμετροποίησης των περιστροφών. Με αυτό το τρόπο, δημιουργείται ένα σύστημα σειριακής εκτίμησης κατάστασης που αποτελείται από έναν εκτιμητή βάσης και έναν εκτιμητή CoM το οποίο ονομάζουμε State Estimation RObot Walking (SEROW). Επιπλέον, για να διορθώσουμε την κινηματική απόκλιση που προκαλείται από την ολίσθηση των ποδιών κατά το περπάτημα, χρησιμοποιούμε μετρήσεις Οπτικής Οδομετρίας (VO) και/ή Οδομετρίας LIDAR (LO). ∆υστυχώς, τέτοιες μετρήσεις υποφέρουν από ακραίες τιμές σε ένα δυναμικό περιβάλλον, αφού κατά τον υπολογισμό τους χρησιμοποιείται η υπόθεση ότι μόνο το ρομπότ βρίσκεται σε κίνηση και ο κόσμος γύρω του είναι στατικός. Για αυτό το λόγο, εισάγουμε το Σθεναρό Γκαουσιανό Φίλτρο Κάλμαν Σφάλματος Κατάστασης (RGESKF) για την αυτόματη ανίχνευση και απόρριψη των ακραίων μετρήσεων. Το προτεινόμενο φίλτρο δεν βασίζεται σε πρότερη γνώση σχετικά με τις κατανομές των μετρήσεων και δεν χρησιμοποιεί ειδικά ρυθμισμένα κατώφλια. Ως εκ τούτου, το SEROW γίνεται ένα σθεναρό σύστημα εκτίμησης κατάστασης, κατάλληλο για δυναμικά ανθρώπινα περιβάλλοντα. Προκειμένου να ενισχυθούν περαιτέρω οι ερευνητικές προσπάθειες, το SEROW δίνεται ελεύθερα στη ρομποτική κοινότητα ως ένα πακέτο ROS/C++ ανοικτού κώδικα. Τα σύγχρονα συστήματα ελέγχου και εκτίμησης κατάστασης ανθρωποειδών ρομπότ υποθέτουν ότι η κατάσταση επαφής ποδιών-εδάφους είναι γνωστή εκ των προτέρων. Η ανίχνευση τέτοιων επαφών είναι ένα σημαντικό και σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητο θέμα στη σύγχρονη ρομποτική έρευνα. Σε αυτή τη διατριβή, διατυπώνουμε μια ευρύτερη ερώτηση: σε ποια φάση βάδισης βρίσκεται το ρομπότ; Προς το σκοπό αυτό, προτείνουμε ένα ολιστικό πλαίσιο βασισμένο σε μη-επιβλεπόμενη μάθηση από δεδομένα ιδιοδεκτικής αίσθησης που αντιμετωπίζει με ακρίβεια και αποτελεσματικότητα αυτό το πρόβλημα. Συγκεκριμένα, ανιχνεύουμε με ακρίβεια μια από τις τρεις φάσεις βάδισης, την Αριστερή Υποστήριξη (LSS), την ∆ιπλή Υποστήριξη (DS) και τη ∆εξιά Υποστήριξη (RSS), χρησιμοποιώντας μετρήσεις από κωδικοποιητές, IMU και F/T. Αρχικά, πραγματοποιείται μείωση των διαστάσεων με Ανάλυση Κύριων Στοιχείων (PCA) ή με αυτόματους κωδικοποιητές ώστε να εξαχθούν χρήσιμα χαρακτηριστικά, μια συμπαγής αναπαράσταση και να μειωθεί ο θόρυβος στα δεδομένα. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μια ομαδοποίηση στον χώρο χαμηλών διαστάσεων με Γκαουσιανά Μοντέλα Μίγματος (GMMs). Ως αποτέλεσμα λαμβάνονται τρία πυκνά συμπλέγματα που αντιστοιχούν στις φάσεις της βάδισης. Αυτό σημαίνει ότι η δυναμική της φάσης του βαδίσματος είναι χαμηλής διάστασης το οποίο λειτουργεί ως άλλη μια ένδειξη στο ότι ολόκληρη η διαδικασία της βάδισης είναι χαμηλής διάστασης. Επιπλέον, δεδομένου ότι το προτεινόμενο πλαίσιο χρησιμοποιεί μετρήσεις από αισθητήρες που είναι συνήθως διαθέσιμοι στα σημερινά ανθρωποειδή ρομπότ, προσφέρουμε στη ρομποτική κοινότητα το Gait-Phase Estimation Module (GEM), μια ανοικτού κώδικα εφαρμογή σε ROS/Python. Το SEROW και το GEM έχουν αξιολογηθεί ποσοτικά και ποιοτικά αναφορικά με την ακρίβεια και την αποδοτικότητα τους τόσο σε προσομοίωση όσο και σε πραγματικές συνθήκες. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε ένα προσομοιωμένο ρομπότ στο MATLAB και το ανθρωποειδές ρομπότ Valkyrie της NASA στο ROS/Gazebo για να τεκμηριωθούν τα προτεινόμενα σχήματα στο βάδισμα πάνω σε ανομοιόμορφο/ανώμαλο έδαφος. Στη συνέχεια, τα προτεινόμενα σχήματα ενσωματώθηκαν στο α) μικρού μεγέθους ανθρωποειδές ρομπότ NAO v4.0 και β) στο πλήρους μεγέθους ανθρωποειδές WALK-MAN v2.0 για περεταίρω πειραματική επικύρωση. Με το NAO, το SEROW εφαρμόστηκε στο ρομπότ για να παράσχει την απαραίτητη ανατροφοδότηση στον σχεδιασμό της κίνησης και τη σταθεροποίηση του βηματισμού σε πραγματικό χρόνο. Με αυτό το τρόπο επιτεύχθηκε πολυκατευθυντική βάδιση ακόμη και σε εξωτερικά/ανομοιογενή εδάφη. Επιπλέον, το SEROW χρησιμοποιήθηκε στον σχεδιασμό βημάτων για την πλοήγηση και επίσης στο Visual SLAM με το ίδιο ρομπότ. Όσον αφορά το WALK-MAN v2.0, το SEROW εφαρμόστηκε με δεδομένα κινηματικής, αδρανειακής μονάδας και F/T για να παρέχει ανατροφοδότηση βάσης και CoM σε πραγματικό χρόνο. Στην εκτίμηση λήφθηκε υπόψη και το VO για την διόρθωση της κινηματικής απόκλισης κατά το περπάτημα. Με αυτό το τρόπο διευκολύνεται σημαντικά ο πιθανός σχεδιασμός βημάτων. Τέλος, το GEM χρησιμοποιήθηκε επίσης για την εκτίμηση της φάσης της βάδισης στο δυναμικό περπάτημα του WALK-MAN. Συνοψίζοντας, σε αυτή τη διατριβή προτείνεται ένας σθεναρός μη-γραμμικός εκτιμητής κατάστασης για το βάδισμα ανθρωποειδών ρομπότ. Παρόλα αυτά, το προτεινόμενο σύστημα μπορεί εύκολα να επεκταθεί και σε άλλους τύπους ρομπότ με πόδια, όπως τα τετράποδα, μιας και διαθέτουν τις ίδιες βασικές αρχές κίνησης.

show abstract

WALK-MAN Humanoid Platform

Cited by 5 publications

References 51 publications

Co-Ex: A Torque-Controllable Lower Body Exoskeleton for Dependable Human-Robot Co-existence

Co-Ex: A Torque-Controllable Lower Body Exoskeleton for Dependable Human-Robot Co-existence

Humanoids at Work: The WALK-MAN Robot in a Postearthquake Scenario

Robust nonlinear state estimation for humanoid robots

Contact Info

Product

Resources

About