A multi-criteria optimization framework for interaction controller design for physical human-robot interaction
Fiziksel insan robot etkileşiminin denetleyici tasarımı için çok kriterli bir optimizasyon çerçevesi
- Tez No: 538363
- Danışmanlar: PROF. DR. ÇAĞATAY BAŞDOĞAN, DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Yakın gelecekte ev, hastane, fabrika gibi çeşitli ortamlarda, insanların ve robotların birlikte fiziksel işbirliğine dayalı ortaklaşa işler yapması beklenmektedir. İnsanlar, üstün zihinsel yeteneklere sahip iken, robotlar dayanıklılık, konumlamadaki yüksek doğruluk ve tekrarlanabilirlik gibi konulardaki avantajlarıyla ön plana çıkarlar. Fiziksel insan-robot işbirliği sayesinde insanların ve robotların yetenekleri bir araya getiri\- lerek karmaşık görevlerin yürütülmesi sırasında hız, esneklik ve ergonomi açılarından iyileşmeler sağlanabilir. Fiziksel insan-robot işbirliği, birbirleriyle çelişen yapılarda olan yüksek şeffaflık ve yüksek güvenlik hedeflerinin aynı anda gerçekleşmesini gerektirmektedir ve bu durum araştırmacılar için zor bir denetim problemidir. Mükemmel şeffaflık pratikte erişilemez olduğu için bu hedefler arasında en iyi ödünleşime izin veren denetleyiciler tercih edilmektedir. Bu tezin ilk kısmında, fiziksel insan-robot etkileşimi için yeni bir denetleyici mimarisi olarak kesir dereceli admitans denetleyicileri öneriyoruz. Önerilen denetleyiciyi içeren sistemin kararlılık ve şeffaflık çözümlemeleri, insan da döngü içine dahil edilerek yapılmıştır. Kesir dereceli denetleyicinin değişkenlerini tam sayılı denetleyici değişkenlerine eşleştirmek için empedans eşleme yöntemi önerilmiş ve bu sayede sistemlerin gürbüz kararlılığı analitik olarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca, etkileşim başarımı, insan deneklerin katıldığı doğrusal olan ve olmayan çevrelerle temas içeren iki farklı deneysel çalışma ile incelenmiştir. Sonuçlar, fiziksel etkileşimde kesir dereceli admitans denetleyicileri kullanıldığında tam sayı dereceli olanların kullanımına göre daha fazla gürbüzlük ve şeffaflığa erişilebileceğini göstermiş, denetleyicideki kesir dereceli terimin çevre ile temas içeren etkileşim görevlerinde insanın harcadığı eforu azalttığınına dair kanıtlar sunulmuştur. Tezin ikinci kısmında, belirli bir etkileşim denetleyici yapısı için, kapalı çevrim fiziksel insan-robot etkileşim sisteminin şeffaflığını ve gürbüz kararlılığını birlikte en iyileyecek çok kriterli bir optimizasyon çerçevesi önerilmiştir. Önerdiğimiz Pareto optimizasyon çerçevesi, şeffaflık ve gürbüz kararlılık arasındaki ödünleşimi kapsamlıca inceleyip, tasarımcının ödünleşim hakkında yeterli bilgiye ulaştıktan sonra bilgiye dayalı karar vermesini sağlamaktadır. Bu yapı, gürbüz kararlılık ve şeffaflık için tanımlanmış performans ölçütlerinin (amaç fonksiyonlarınının) ayrıklaştırılmış denetleyici değişken uzayında hesaplanmasını içermektedir. Çok kriterli optimizasyon kullanılarak elde edilen Pareto cephesi eğrisi, şeffaflık ve gürbüz kararlılık arasındaki ödünleşimi tarif etmektedir. Bu ödünleşim çalışılarak, ulaşılabilecek en yüksek şeffaflık ve gürbüz kararlılığı sağlayacak denetleyici değişken kümesi bilinçli şekilde seçilebilir. Önerilen tasarım yönteminin pratik kullanımını göstermek için tam sayılı ve kesir dereceli admitans denetleyiciler örnek olarak çalışılmış, bu iki denetleyici mimarisinde yapılan tasarımlar teorik ve deneysel olarak karşılaştırılmıştır. Deneysel kıyaslamalar, esnekliği doğrusal olmayan bir çevre ile temas içeren fiziksel insan-robot ortaklaşa görevi sırasında yapılmıştır. Sonuçlar, önerilen tasarım çerçevesinin geçerliliğini doğrulamaktadır ve ayrıca, iki denetleyici sistemin gürbüz kararlılığı aynı olacak şekilde tasarlandığında, kesir dereceli admitans denetleyicinin tam sayılı olana göre daha fazla şeffaflık sağlayabileceğini ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
In the near future, humans and robots are expected to perform collaborative tasks involving physical interaction in various environments, such as homes, hospitals, and factories. Robots are good at precision, strength, and repetition, while humans are better at adaptation and cognitive tasks. Physical human-robot interaction (pHRI) takes advantage of both robots and humans to improve speed, flexibility, and ergonomics of complex tasks. pHRI requires design of controllers to achieve safe and transparent operations which is challenging mainly due to the contradicting nature of these objectives. Knowing that attaining perfect transparency is practically unachievable, controllers allowing better compromise between these objectives are desirable. In the first part of this dissertation, we propose a new controller, fractional order admittance controller, for pHRI. The stability and transparency analyses of the new control system are performed computationally with human-in-the-loop. Impedance matching is proposed to map fractional order control parameters to integer order ones to enable comparisons, and the stability robustness of the system is studied analytically. Furthermore, the interaction performance is investigated experimentally through two human subject studies involving continuous contact with linear and nonlinear viscoelastic environments. The results indicate that the fractional order admittance controller can be more robust and transparent than the integer order admittance controller and the use of fractional order term can reduce the human effort during tasks involving contact interactions with environment. In the second part of this dissertation, we propose a multi-criteria optimization framework for interaction controller design, which jointly optimizes the stability robustness and transparency of a closed-loop pHRI system for a given interaction controller structure. In particular, we propose a Pareto optimization framework that allows the designer to make informed decisions by studying the tradeoff between stability robustness and transparency thoroughly. The proposed framework involves a search over the discretized controller parameter space to compute the performance metrics. Using multi-criteria optimization, Pareto front curve depicting the tradeoff between stability robustness and transparency is obtained. Studying this tradeoff, an informed decision can be made to select the set of controller parameters that yield maximum attainable transparency and stability robustness. To demonstrate the practical use of the proposed design approach, integer and fractional order admittance controllers are studied as a case study and compared both analytically and experimentally. Experimental comparisons are performed for a pHRI task that involves contact interactions with an environment displaying nonlinear stiffness. The results validate the proposed design framework, and show that the achievable transparency under fractional order admittance controller is higher than that of integer order one, when both controllers are designed to ensure the same level of stability robustness.
Benzer Tezler
- Çevresel performans odaklı adaptif cephe modülü için akıllı sistem tasarımı
Intelligent system design for environmental performance oriented adaptive façade module
ERHAN KARAKOÇ
- Optimal exoskeleton design and e ffective human-in-the-loop control frameworks for rehabilitation robotics
Rehabilitasyon robotları için optimal dış-iskelet ve etkin insan etkileşimli kontrol çatıları tasarımı
AHMETCAN ERDOĞAN
Doktora
İngilizce
2014
Fizyoterapi ve RehabilitasyonSabancı ÜniversitesiMekatronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- İleri imalat teknolojisi yatırımlarının ekonomik analizi
The Economic justification of investments in advanced manufacturing technologies
TAMER ERTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ETHEM TOLGA
- Bayesian optimization strategies for human-in-the-loop systems: Theory and applications in physical human-robot-interaction
İnsanın optimizasyon döngüsüde olduğu sistemler için bayes optimizasyon stratejileri: Teori ve fiziksel insan-robot etkileşimi uygulamaları
HARUN TOLASA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU
- GIS-based multi-criteria decision analysis for optimal urban emergency facility planning
Kentsel optimal acil durum tesis planlaması için CBS tabanlı çok kriterli karar analizi
PENJANI HOPKINS NYIMBILI
Doktora
İngilizce
2022
Coğrafyaİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TURAN ERDEN