Interactions of a humanoid with a human are important, when the humanoid is requested to provide people with human-friendly services in unknown or uncertain environment. Such interactions may require more complicated and human-like behaviors from the humanoid. In this work the arm motions of a human are discussed as the early stage of human motion imitation by a humanoid. A motion capture system is used to obtain human-friendly arm motions as references. However the captured motions may not be applied directly to the humanoid, since the differences in geometric or dynamics aspects as length, mass, degrees of freedom, and kinematics and dynamics capabilities exist between the humanoid and the human. To overcome this difficulty a method to adapt captured motions to a humanoid is developed. The geometric difference in the arm length is resolved by scaling the arm length of the humanoid with a constant. Using the scaled geometry of the humanoid the imitation of actor's arm motions is achieved by solving an inverse kinematics problem formulated using optimization. The errors between the captured trajectories of actor arms and the approximated trajectories of humanoid arms are minimized. Such dynamics capabilities of the joint motors as limits of joint position, velocity and acceleration are also imposed on the optimization problem. Two motions of one hand waiving and performing a statement in sign language are imitated by a humanoid through dynamics simulation.
Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems
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v.22
no.5
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pp.533-539
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2012
The purpose of this study is to estimate a validity of control signal through a design of Exoskeleton Robot Arm's capable of intelligent recognition as a human arm's motion by using realtime processed data of generated EMG signals. By an intelligent algorithm, the EMG output value of human biceps and triceps muscles contraction can be recognized and used for the control over exoskeleton arm corresponding to human's recognition and judgement. The EMG sensing data of muscles contraction and relaxation are used as the input signal from human's body to operate the Exoskeleton Robot Arm thus copying human arm motion. An intelligent control of Exoskeleton Robot Arm is to design the analog control circuit which processes the input data, and then to manufacture an integrated control board. And then abstracted signal is passed by DSP signal processing, Fuzzy logic algorithm is designed for a accurate prediction of weight or load through the intelligent algorithm, and design an Exoskeleton Robot Arm to express a human's intention.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.12
no.2
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pp.152-158
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2009
In this paper, the right arm was modelled by muscle-skeleton elements to obtain the behavior of right arm of human under impact condition, where physical and geometrical properties of human body such as Young's modulus, shear modulus, cross sectional area, length, density, moment of inertia and position were defined. Based on the numerical model of the right arm, the impact response of the right arm was obtained. By the comparison with the experimental results, the model of the right arm was verified.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.20
no.8
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pp.875-881
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2014
The redundancy resolution of the seven DOF (Degree of Freedom) upper limb exoskeleton is key to the synchronous motion between a robot and a human user. According to the seven DOF human arm model, positioning and orientating the wrist can be completed by multiple arm configurations that results in the non-unique solution to the inverse kinematics. This paper presents analysis on the kinematic and dynamic aspect of the human arm movement and its effect on the redundancy resolution of the seven DOF human arm model. The redundancy of the arm is expressed mathematically by defining the swivel angle. The final form of swivel angle can be represented as a linear combination of two different swivel angles achieved by optimizing two cost functions based on kinematic and dynamic criteria. The kinematic criterion is to maximize the projection of the longest principal axis of the manipulability ellipsoid of the human arm on the vector connecting the wrist and the virtual target on the head region. The dynamic criterion is to minimize the mechanical work done in the joint space for each of two consecutive points along the task space trajectory. The contribution of each criterion on the redundancy was verified by the post processing of experimental data collected with a motion capture system. Results indicate that the bimodal redundancy resolution approach improved the accuracy of the predicted swivel angle. Statistical testing of the dynamic constraint contribution shows that under moderate speeds and no load, the dynamic component of the human arm is not dominant, and it is enough to resolve the redundancy without dynamic constraint for the realtime application.
Kim, Junghee;Cho, Sungho;Lee, Choongho;Han, Jaewoong;Hwang, Heon
Journal of Biosystems Engineering
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v.38
no.2
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pp.138-148
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2013
Purpose: Determining an appropriate path is a top priority in order for a robot to maneuver in a dynamically efficient way especially in a pick-and-place task. In a non-standardized work environment, current robot arm executes its motion based on the kinematic displacements of joint variables, though resulting motion is not dynamically optimal. In this research we suggest analyzing and applying motion patterns of the human arm as an alternative to perform near optimum motion trajectory for arbitrary pick-and-place tasks. Methods: Since the motion of a human arm is very complicated and diverse, it was simplified into two links: one from the shoulder to the elbow, and the other from the elbow to the hand. Motion patterns were then divided into horizontal and vertical components and further analyzed using kinematic and dynamic methods. The kinematic analysis was performed based on the D-H parameters and the dynamic analysis was carried out to calculate various parameters such as velocity, acceleration, torque, and energy using the Newton-Euler equation of motion and Lagrange's equation. In an attempt to assess the efficacy of the analyzed human motion pattern it was compared to the virtual motion pattern created by the joint interpolation method. Results: To demonstrate the efficacy of the human arm motion mechanical and dynamical analyses were performed, followed by the comparison with the virtual robot motion path that was created by the joint interpolation method. Consequently, the human arm was observed to be in motion while the elbow was bent. In return this contributed to the increase of the manipulability and decrease of gravity and torque being exerted on the elbow. In addition, the energy required for the motion decreased. Such phenomenon was more apparent under vertical motion than horizontal motion patterns, and in shorter paths than in longer ones. Thus, one can minimize the abrasion of joints by lowering the stress applied to the bones, muscles, and joints. From the perspectives of energy and durability, the robot arm will be able to utilize its motor most effectively by adopting the motion pattern of human arm. Conclusions: By applying the motion pattern of human arm to the robot arm motion, increase in efficiency and durability is expected, which will eventually produce robots capable of moving in an energy-efficient manner.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.15
no.11
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pp.1096-1101
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2009
In this paper, an embedded system has been designed for force control application to interact between a robot arm and a human operator. Force induced by the human operator is converted to the desired position information for the robot to follow. For smooth operations, the impedance force control algorithm is utilized to represent interaction between the robot and the human operator by filtering the force. To improve the performance of position control of the robot arm, a velocity term has been obtained and tested by several filters. A PD controller for position control has been implemented on an FPGA as well. Experimental studies are conducted with the ROBOKER to test the functionality of the designed hardware.
Proceedings of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers Conference
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2007.05a
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pp.300-305
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2007
This study developed a human robot master arm, which has a structure similar to the human arm, with the object of taking over human works. The robot arm was structured to reproduce human actions using three axes on each of the shoulder and the wrist based on mechanics, and the actuator of each axis adopted an ordinary DC motor. The servo system of the actuator is a one body type employing an amp for electric power, and it was designed to be small and lightweight for easy installation. We examined the posture control characteristics of the developed robot master arm in order to test its interlocking, continuous notions and reliability.
As human-friendly robot techniques improve, the concept of the wearability of robotic arms becomes important. A master arm that detects human arm motion and provides virtual forces to the operator is an embodied concept of a wearable robotic arm. In this study, we design a 7 DOF wearable robotic arm with high joint torques. An operator wearing this robotic arm can move around freely because this robotic arm was designed to have its fixed point at the shoulder part of the operator. The proposed robotic arm uses parallel mechanisms at the shoulder part and the wrist part on the model of the human muscular structure of an upper limb. To reduce the computational load in solving the forward kinematics and to prevent singularity motions of the parallel mechanism, yawing motion of the parallel mechanisms was separated using a slip ling mechanism. The total weight of the proposed robotic arm is about 4 kg. An experimental result of force tracking test for the pneumatic control system and an application example for VR robot are described to show the validity of the robot.
The analysis of human arm motion during steering maneuver is carried out for investigation of man-machine interface of driver and steering system Each arm is modeled as interconnection of upper arm, lower arm, and hand by rotational joints that can properly represents permissible joint motion, and both arms are connected to a steering wheel through spring and damper at the contact points. The joint motion law during steering motion is determined through the measurement of each arm movement, and subsequent inverse kinematic analysis. Combining the joint motion law and inverse dynamic analysis, joint stiffness of arm is estimated. Arm dynamic analysis model for steering maneuver is setup, and is validated through the comparison with experimentally measured data, which shows relatively good agreement. To demonstrate the usefulness of the arm model, it is applied to study the effect of steering column angle on the steering motion.
This study deals with the design of a spring backboned soft arm, which will be employed for generation of human gesture as an effective means of Human Robot interaction. The special features of the proposed mechanism are the light weight and the flexibility of the whole mechanism by using a spring backbone. Thus, even in the case of collision with human, this device is able to absorb the impact structurally. The kinematics and the design for the soft arm are introduced. The performance of this mechanism was shown through experiment emulating several human gestures expressing human emotion and some service contents. Finally, this soft arm was implemented as the wing mechanism of a penguin robot.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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