On the passivity of interaction control withseries elastic actuation
Seri elastik eyleyicili etkileşim kontrolcülerinin pasifliği
- Tez No: 556762
- Danışmanlar: DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 96
Özet
Robot ve çevre arasındaki mekanik etkileşimi düzenlemek, robot biliminde önemli bir problemdir. Manipülasyon ve montaj işleri gibi birçok uygulama etkileşim kontrolcüsü gerektirir. Robotların insanlarla birlikte çalışması ve çalışma alanını paylasması gereken uygulamalarda da etkileşim kontrolcüsü gereklidir. Bu nedenle etkileşim kontrolcüleri fi ziksel insan-robot etkileşimi (fİRE) uygulamaları için fevkalade önemlidir. Pasiflik paradigması etkileşimin güvenliğini sağlamak için güçlü tasarım araçları sunar. Bu paradigma pasif sistemlerin enerji üretme potansiyeline sahip olmadığı esasına dayanır. Bu nedenle kontrolcü ve etkileştiği ortam pasif ise bileşke kararlılık garanti edilebilir. Neyse ki pasif ortamlar kutlelerin, yayların ve sönümleyecilerin doğrusal veya doğrusal olmayan tüm kombinasyonlarını içeren kapsamlı ve kullanışlı bir küme oluşturur. Ayrıca insan operatörler de pasif bir ağ elemanı olarak incelenebilir. Pasifik paradigması, gürbüz kararlılık ve kontrolcü tasarım kolaylığı sağladığından fiRE uygulamaları için caziptir. Bununla birlikte, pasiflik kontrolüye performansı düşüren katı sınırlamalar getirdiği için kısıtlayıcı bir paradigmadır. Bu nedenle kontrolcü tasarım için en geniş pasiflik sınırlarını elde etmek çok önemlidir. Seri elastik eyleme (SEE) fiRE uygulamaları için önemli avantajlar sağladığından yaygınlaşmıştır. SEE, eyleyici ve yük arasına bilinçli olarak esneklik eklemek suretiyle geleneksel eyleyicilere göre daha kaliteli kuvvet kontrolü ve gürbüz kararlılık sağlar. Literatürde SEE için çeşitli empedans kontrol mimarileri sunulmuştur. Bu alternatifler arasında en içte hareket kontrolcüsü, ortada kuvvet kontrolcüsü ve en dışta empedans kontrolcüsü oluşan kademeli kontrol mimarisi basitlik, gürbüzlük ve performans açısından cazip ve yaygındır. Bu tezde, iki klasik doğrusal empedans modeli olan sıfır empedans ve saf yayı kademeli SEE empedans kontrol mimarisi ile pasif olarak gerçeklemek için gerekli ve yeterli koşulları türettik. Yeni bulduğumuz pasiflik koşullarına dayanarak kısıtlayıcı olmayan kontrolcü tasarım yönergeleri sunduk. Bu yönergeler haptik olarak boş uzay ve sanal yay gerçeklerken bileşke kararlılığı ve dolayısıyla etkileşim güvenliğini korumaktadır. Bu pasiflik koşullarının doğruluğunu bilgisayar benzetimleri ve fiziksel deneyler ile gösterdik. İntegral denetleyicilerinin kullanıldığı mimarilerde pasiflik koşulları türetilirken fiziksel sönümleyecinin eyleyici modeline dahil edilmesinin önemini de ayrıca gösterdik. Sönümleyicinin pasiflik sınırlarına fazladan bir kısıtlama getirdiğini saptadık. Böylece eyleyici sönümlemesinin sistemin pasifliğine sezgisel olmayan olumsuz etkisini vurguladık. SEE yapısına ek olarak seri elastik sönümlenmiş eylemeyi (SESE) inceledik ve kademeli SEE'nin pasif olarak gerçekleyemediği empedansları kademeli SESE'nin gerçekleyebildiğini gösterdik. Özellikle SESE'nin Voigt modeli ve hatta ziksel yay-sönümleyici çiftinden daha sert empedansları pasif olarak gerçekleyebildiğini matematiksel analizler ve benzetimler ile doğruladık.
Özet (Çeviri)
Regulating the mechanical interaction between robot and environment is a fundamentally important problem in robotics. Many applications such as manipulation and assembly tasks necessitate interaction control. Applications in which the robots are expected to collaborate and share the workspace with humans also require interaction control. Therefore, interaction controllers are quintessential to physical human-robot interaction (pHRI) applications. Passivity paradigm provides powerful design tools to ensure the safety of interaction. It relies on the idea that passive systems do not generate energy that can potentially destabilize the system. Thus, coupled stability is guaranteed if the controller and the environment are passive. Fortunately, passive environments constitute an extensive and useful set, including all combinations of linear or nonlinear masses, springs, and dampers. Moreover, a human operator may also be treated as a passive network element. Passivity paradigm is appealing for pHRI applications as it ensures stability robustness and provides ease-of-control design. However, passivity is a conservative framework which imposes stringent limits on control gains that deteriorate the performance. Therefore, it is of paramount importance to obtain the most relaxed passivity bounds for the control design problem. Series Elastic Actuation (SEA) has become prevalent in pHRI applications as it provides considerable advantages over traditional sti actuators in terms of stability robustness and delity of force control, thanks to deliberately introduced compliance between the actuator and the load. Several impedance control architectures have been proposed for SEA. Among the alternatives, the cascaded controller with an inner-most velocity loop, an intermediate torque loop and an outer-most impedance loop is particularly favoured for its simplicity, robustness, and performance. In this thesis, we derive the necessary and sucient conditions to ensure the passivity of the cascade-controller architecture for rendering two classical linear impedance models of null impedance and pure spring. Based on the newly established passivity conditions, we provide non-conservative design guidelines to haptically display free-space and virtual spring while ensuring coupled stability, thus the safety of interaction. We demonstrate the validity of these conditions through simulation studies as well as physical experiments. We demonstrate the importance of including physical damping in the actuator model during derivation of passivity conditions, when integral controllers are utilized. We note the unintuitive adversary e ect of actuator damping on system passivity. More precisely, we establish that the damping term imposes an extra bound on controller gains to preserve passivity. We further study an extension to the cascaded SEA control architecture and discover that series elastic damping actuation (SEDA) can passively render impedances that are out of the range of SEA. In particular, we demonstrate that SEDA can passively render Voigt model and impedances higher than the physical spring-damper pair in SEDA. The mathematical analyses of SEDA are veri ed through simulations.
Benzer Tezler
- Haptic rendering with series elastic actuation:Effects of filtering on passivity and fidelity of kinesthetic haptic feedback
Seri elastik eyleme ile dokusal algı yaratma: Alçak geçiş filtresinin pasiflik ve dokusal algı yaratma performansına etkileri
ÖZGÜR TAYLAN KENANOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. VOLKAN PATOĞLU
- Design, control and evaluation of educational devices with series elastic actuation
Uygulamalı eğitim amaçlı seri elastik eyleyici tahrikli eğitim cihazlarının tasarımı ve denetimi
ATA OTARAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Passive realizations of series elastic actuation: effects of plant and controller dynamics on performance and passivity of haptic rendering
Seri elastik eyleme için pasif gerçekleştirilmeler: kontrolcü ve sistem dinamiğinin haptik geri-beslemenin pasifliğine ve performansına etkileri
CELAL UMUT KENANOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Coupled stability and performance of interaction control through series viscoelastic actuation
Seri viskoelastik eyleyiciler için geliştirilen etkileşim kontrolcülerinin kararlılığı ve performansı
UĞUR MENGİLLİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Stability robustness and rendering fidelity trade-offs of haptic interfaces under admittance control
Admitans kontrolü altındaki dokunsal arayüzlerinin kararlılık gürbüzlüğü ve görünteleme doğruluğu arasındaki ödünleşimler
ÖMER BURAK ALADAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU