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Vorlesung 7-8-9

56 flashcardsby Kuubs
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1
Motorsteuerung
Zusammenhang zwischen senosrischen Signalen & motorischen Befehlen
2
große Rückmeldeverzögerung
  • Transformation sensorische Signale in motorische Handlungen
  • bestimmt durch ZNS
3
Interne Vorwärtsmodelle
  • Transformation motorische Befehle in sensorische Konsequenzen
  • Vorhersage des Verhaltens von Körper und Welt
  • Efferenz-Kopie → neuronale Repräsentation geplanter Bewegungen
4
Dimensionalität
  • 2^600 motorische Aktivierungen
  • Lösung : -
    kompakte Darstellung →
    geringere Dimensionalität
    → zustand enthält alle zeitlich veränderlichen
    Infos um Zukunft vorherzusagen
5
Schlüsselparameter der Bewegung
  • Zustand
  • Kontext = sich diskret oder langsam ändernde Parameter,
    Objekt oder Masse der Gliedmaßen
6
die drei Phasen der Sensomotorische Schleife
  • 1) motorischer Befehl
  • 2) Zustandsänderung bestimmen
  • 3) senoorische Rückmeldung zu neuem Zustand
    ↳ Schleife geschlossen
7
interne Modelle im ZNS
  • 1) Inverses Modell
  • 2) Vorwärtsdynamisches Modell
  • 3) Vorwärts sensorisches Modell
8
Bewegungsplanung
  • Aufgaben allgemein auf hohem Level
  • Motorische Systeme auf detailliertem Level
  • Lücke zwischen highlevel Aufgabe und lowlevel Steuerung
9
Optimal Control
  • Framework überträgt highlevel Aufgaben in detaillierte motorische Programme
  • Kosten → Funktion der Bewegung und Aufgabe
  • Problem „ Reverse Engineering
10
Redundancy resolution problem:
  • Normal Anzahl Freiheitsgrade interner Raum viel höher als Freiheitsgrade externer
    Raum
  • Wie Überschuss an DOFs im Innenraum nutzbar ?
  • uneingeschränkte Freiheitsgrade (Null Raum) →
    genutzt um zusatz Kriterien zu erfüllen
11
Bewegungssteuerung: Gleichgewichtspunkt
  • Definition eines Gleichgewichtspunktes
  • Bewegung über Gleichgewichtspunkt entlang Trajektorie
  • Muskeln u. Rückenmark als Feedback Controller
  • Problem: hohe Steifigkeit erforderlich
12
Bewegunssteuerung: inverse Modelle
  • setzen Zustand an jedem Punkt in Motor befehle um
  • geringe Steifigkeit, bei der aber Kontrolle des Gleichgweichtspunktes komplexe Mechanismen erfordert
13
Bewegungssteureung: durch Aktivierung weniger Bewegungsprimitive
  • Reduzierung motorischer Ausgangsdimensionaletat
  • Populärste Alternative & Hypothese durch Rückenmark Experimente
  • rechnerisch attraktiv
14
Zustandsschätzung und Vorhersage:
ZNS benötigt Infos um 3 Stufen von sensomotovischer Schleife zu entwickeln
15
Zustandsschätzung und Vorhersage: Probleme
  • Transaktion und Transport von sensorischen Signalen zum ZNS
    Verzögerungen
  • muss Zustand aus sensorischen Signalen beurteilen /einschätzen→ Können durch Rauschen / Störungen fehlerhaft sein
16
Zustandsschätzung und Vorhersage: Lösungen
Kombi sensorischen Feedback und Vorwärts modell z.B. Kalmanfilter
17
Waiter-Task-Expirment
  • beschreibt Vorhersage-Mechanismen, die das Herunternehmen von Objekten von einem Tablett mit einer Hand (dominant) steuern
  • andere (nicht-dominante) Hand hält Tablett und Arm in einer starren Stellung
  • Position des Tabletts und des nicht-dominanten Arms bleibt unverändert, trotz Änderung des Gewichts und der Kräfte während des Herunternehmens
18
Kontext-Schätzung Definition
  • Bewegungskontext ändert sich diskret motorisches System muss ändernden
    Kontext einschätzen
  • ZNS moduliert erwartetes motorisches Feedback
  • repräsentiert auch Likelihood je nach gegebenem Kontext
19
Bayessche Inferenz: 2. Bestandteile
  • 1. A-priori-Wahrscheinlichkeit: wie wahrscheinlich ist ein Kontext vor einer Bewegung
  • 2. Likelihood: Wahrscheinlichkeit des aktuellen sensorischen Feedback bei gegebenem Kontext
20
Lernen interner Modelle
  • Interne Modelle (Vorwärtsmodell /inverses Modell) modellieren Eigenschaften des sensomotorischen Systems
  • Eigenschaften verändern sich mit der Zeit
21
Vorwärts modell lernen (einfach)
Differenz zwischen vorhergesagten und tatsächlichem sensorischen Feedback
22
Inverses Modell lernen
Schwierigkeit : Es gibt kein Trainingssignal
23
Vereinheitlichende Grundsätze
  • interne Modelle fundamental für Verständnis
  • Optimalität unterliegt vielen Theorien zur Bewegungsplanung , Kontrolle und Schätzung
  • System muss Unsicherheiten und Störungen bewältigen
24
Regelung im Biomechanischen System :
  • Zusammenhang sensorischen Signalen u . motorischen Befehlen
  • Nicht absolut: Verzögerungen und Unsicherheiten werden permanent
25
Prefrontaler Kortex Funktion
Selektion Bewegungen /Evaluierung der Konsequenzen
26
Posterior parietaler Kortex Funktion
  • Verarbeitung räumliche Beziehung Objekt/Umgebung
  • Berechnung Trajektorien
27
Kleinhirn Funktion:
  • Abgleich geplanter und tatsächlicher motorischen Ausführung
  • Optimierung Folgebewegung
28
Kinematik in der Robotik, Definition
Untersuchung von Position , Geschwindigkeit, Beschleunigung ohne verursachende Kräfte
29
Dynamik in der Robotik, Definition
Untersuchung der benötigten Kräfte
30
Grudbegriffe: Roboter & Endeffektor
  • Roboter: bestehen aus (meistens) starren GLIEDERN,
    die mit GELENKEN verbunden sind, die eine relative
    Bewegung benachbarter Glieder ermöglichen.
  • Endeffektor: Freies Ende der Gliederkette eines
    Roboters (Greifer, Werkzeug etc.)
31
häufigsten Gelenkarten (jedes Gelenk fügt 1 dof hinzu)
  • Drehgelenk (oder drehendes Gelenk)
  • Translationales (oder prismatisches) Gelenk
32
Arbeitsraum des Maniplators
  • ist das Gesamtvolumen, das vom Endefaktor des Manipulator umfasst werden kann
  • Arbeitsbereich kann durch Gelenkbeschränkung eingeschränkt werden
  • Geschickter (Dexterous) Arbeitsbereich: Ein Punkt ist mit jeder gewünschten
33
Vorwärtskinematik Definition
Berechnung der Position und Orientierung des Endeffektors des Roboters bei gegebenen Gelenkwinkeln
34
inverse Kinematik Definition
  • Berechnen der Gelenkwinkel, die eine bestimmte Endeffektor-Pose erreichen
  • komplexeres Problem als VorwärtsKinematik
35
inverse Kinematik: Methoden: geschlossene (analytische) Lösungen Vor- und Nachteile
  • +Schnell und genau
  • -Komplex für eine große Anzahl von DOF
  • -Wenn das Ziel nicht erreichbar ist, versuchen sie nicht einmal, sich der Lösung anzunähern
36
inverse Kinematik: Methoden: numerische Lösung Vor- und Nachteile
  • +generisch
  • +Finden der nächst besten Lösung, wenn die exakte Lösung nicht existiert
  • -Nur eine Lösung (erste, die gefunden wird)
  • -Längere Rechenzeiten
37
Trajektorien Generierung: Trajektorien Typen
  • Punkt zu Punkt Trajektorie
    ->1. Gelenk für Gelenk Bewegung
    ->2. gleichzeitige gemeinsame Bewegung
  • Koordinierte Trajektorien
  • Kontinuierliche Trajektorien
38
Schritte der Trajektorie Generierung
  • 1. Spezifizieren einer analytischen, kartesische Bahn für die zeitliche Entwicklung jeder kartesischen Koordinate
  • 2. Abtasten der kartesischen Bahn, um eine endliche Anzahl von Punkten auf dieser Trajektorie zu erhalten. Jeder Wert ist ein 6-Tupla
  • 3. Interpolieren dieser Punkte im gemeinsamen Raum und erzeugen einer kontinuierlichen Gelenkbahn q_i(t) für jedes Gelenk
  • 4. (Referenzen an den dynamischen Controller senden)
39
Interpolieren einer Bahn: Interpolationstypen
  • Lineare Interpolatoren
40
Systemmodelle Definition
  • Darstellung wesentlicher Aspekte in brauchbarer Form
  • Allgemeine Grundsätze:
    -Basierend auf bekannten Gesetzen der Physik
    -schwierig Modelle für komplexe Systeme abzuleiten
  • Systemidentifikation:
    -Experimental
    -Statistische / Datengetriebene Modelle
41
Zeitverhalten physikalischer Systeme
  • Physikalische Systeme werden im sogenannten Zeitbereich modelliert
  • Das Zeitverhalten eines Systems wird unterteilt in: Einschwingverhalten und stationäres Verhalten
42
Frequenzantwort Definition
  • System reagiert bei Eingabe mit Frequenzantwort
  • Zeigt an, wie viel Signal über Frequenzbereich liegt (in jeder gegebenen Frequenz)
43
Steuerung im offenen Regelkreis Definition
  • Open - Loop - Controller verwendet keine Rückmeldung um festzustellen ob System Ausgabe erreicht hat
  • kann keine Störungen kompensieren
  • verwendet kein Feedback
44
Steuerung im geschlossenen Regelkreis Definition
  • Raumheizsystem
  • verwendet Feedback
  • können Störungen entgegenwirken
  • kann stabil oder instabil werden
45
Anfangsspezifikationen bei Controller-Spezifikation
  • Stabilität
  • Unterdrückung
  • Zeitverhalten
  • Steady-State-error
46
Vier Hauptcharakteristiken der Schrittantwort eines geschlossenen Regelkreises
  • Anstiegszeit = Zeit von GerätOutput auf 90% gewünschtes Level
  • Überschwingweite = Wert um den Spitzenlevel höher als stabiler Zustand, normalisiert gegen stabilen Zustand
  • Einschwingzeit = Zeit um in stabilen Zustand zu gelangen
  • Steady-State-Fehler = Differenz zwischen Output stabiler Zustand und gewünschtem Output
47
konstante Parameter des PID-Controllers (am weitesten verbreiteter Controller in der Industrie)
  • P – proportional → Hängt vom aktuellen Fehler ab
  • I – integral → Hängt von vergangenen Fehlern ab
  • D – Ableitung (Engl.: Derivate) → Hängt von zukünftigen Fehlern ab
48
die vier verschiedenen Arten des PID-Controllers
  • P-Controller: multipliziert Fehlereingang mit Konstante
  • PI-Controller: multipliziert zusätzlich Integral des Fehlereingangs mit konstanten
  • PD-Controller: multipliziert zusätzlich Ableitung Fehlereingabe mit konstanten
  • PID-Controller: U(t)=k_p*e(t)+k_d* (de(t)/dt)+k_i*integral(e(t)dt)
49
Tipps für das Design eines PID-Controllers/empirisches Tunen
  • Antwort im offenen Regelkreis
  • Proportionale Regelung um Anstiegszeit verbessern
  • differentiale Regelung → Verbesserung Überschwingen
  • integrale Regelung → stationären Fehler zu eliminieren
  • K_p/K_i/K_d anpassen bis Gesamt verhalten stimmt
50
Fortgeschrittene Kontrollmethoden: Kaskadenregelung
  • mehrere Regelkreise für eine Stellgröße
  • innere Schleife für Variablen, die sich bei höherer Frequenz ändern
  • Faustregel Design: Frequenz innere Schleife = 2-4 mal schneller als äußere
51
Fortgeschrittene Kontrollmethoden: Kaskaden-PIDRegelung
Tellerfederpaket koppelt Motor an Abtriebs Welle
52
Fortgeschrittene Kontrollmethoden: Computed Torque Control
  • Inverses dynamisches Modell der Anlage → online in RückkopplungSchleife berechnet
  • ermöglicht Nachgiebigkeit , KraftKontrolle , verbesserte Leistung
53
Berechnete Drehmomentsteuerung im gemeinsamen Raum
  • Drehmomentkontrollierter Roboter
  • → Geringe Rückkopplungsverstärkungen erforderlich → compliant Robot
54
Steuerung von Exoskeletten: Formen der Parallelität
  • Parallelität auf Bitebene
  • Parallelität auf Instruktionsebene
  • Parallelität auf Prozessor-/Rechnerebene
55
Anforderungen komplexer robotischer Systeme
  • Kontrolle komplexer Kinematiken
  • Reaktives Verhalten
  • Planbasiertes Verhalten
  • Wahrnehmung der Umgebung → auch Intentionen des Menschen
  • Lernen
56
wie nehmen robotische Systeme die Umgebung wahr?
  • Objekte: spezielle Prozessoren, wie GPUs
  • Oberflächen, Formen und Kräfte: spezielle komplexe Sensoren mit lokaler Verarbeitung
  • Menschen: Zustandserkennung aus Biosignalanalysen & Netzwerk von dezentralen Verarbeitungseinheiten
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