Coupled stability and performance of interaction control through series viscoelastic actuation
Seri viskoelastik eyleyiciler için geliştirilen etkileşim kontrolcülerinin kararlılığı ve performansı
- Tez No: 693839
- Danışmanlar: PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Seri elastik eyleme (SEE), yüksek performanslı ve gürbüz kontrol sağladığı ve fiziksel insan-robot etkileşimini (fIRE) daha güvenli hale getirdiği için yaygın kullanılan bir etkileşim kontrolü yaklaşımıdır. Güvenlik fIRE için vazgeçilmez bir tasarım ölçütüdür; ancak gürbüz kararlılık ve başarım arasında temel bir ödünleşim olduğundan etkileşim başarımını kısıtlar. Güvenli etkileşimin gerçekleşmesi için bir fIRE sisteminin, geniş bir yelpazede bilinmeyen çevresel etmenlerle etkileşimleri sırasında, kapalı çevriminin kararlı kalabilmesi -- bağlaşık kararlı olması -- gerekir. Doğrusal ve zamanla değişmeyen sistemlerin bağlaşık kararlılığını incelemek için frekans bölgesi pasifliği güçlü çözümleme araçları sağlar. Literatürde, SEE'nin tek kapılı ağ modellerinin bağlaşık kararlılığı çeşitli kontrolcüler altında temel sanal modeller için çalışılmış ve pasif dokunsal geri bildirim için gerekli ve yeterli koşullar bulunmuştur. Bu çalışmada SEE'nin elastik elemanına paralel yerleştirilen fiziksel sönümle-yicinin etkileri incelenmiştir. Empedans kontrolü altındaki seri viskoelastik eyleyici (SVE) ile sanal boş uzay, doğrusal yay ve Kelvin-Voigt (KV) modellerinin bağlaşık kararlı dokunsal geri bildirimi için sistemin tek kapılı pasiflik analizi yapılmış ve sistemin pasifliği için yeterli koşullar türetilmiştir. Fiziksel sönümleyicinin KV modelinin pasif dokunsal benzetimi için gerekli olduğu ve hız çevrimindeki integral kontrolün dokunsal benzetimde seçilebilecek yay sertliğine etkileri gösterilmiştir. Ek olarak, SVE'nin, SEE'nin pasif olarak gerçekleyebildiği empedans aralığını genişlettiği ve kontrolcü performansını arttırdığı ispatlanmıştır. Ayrıca, tek kapılı pasiflik sonuçları genişletilerek empedans kontrolü altındaki SVE'nin iki kapılı ağ modelinin pasifliği incelenmiştir. Sanal ortam ile kontrolcüler arasına sanal bir bağlantı modeli tanımlanarak sistemin iki kapılı pasifliğini sağlayacak gerekli ve yeterli koşullar bulunmuştur. Doğrusal ve zamanla değişmeyen sistemlerin pasifliğini frekans bölgesinde analitik olarak incelemek için Sturm teorisini temel alan bir yöntem sunulmuştur. SVE'nin iki kapılı pasifliği için fiziksel sönümleyiciye ek olarak sanal ara bağlantı modelinde de sönümleyici bir unsurun gerekliliği gösterilmiştir. Bu sönümleyiciler sayesinde pasif olarak gerçeklenebilecek sanal yayın sertliğinin arttırılabileceği kanıt-lanmıştır. Son olarak, teorik sonuçlar sayısal benzetimler ve fiziksel deneylerle doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
Series Elastic Actuation (SEA) is a widely-used approach for interaction control as it enables high fidelity and robust force control, improving the safety of physical human-robot interaction (pHRI). Safety is an imperative design criterion for pHRI that limits the interaction performance since there exists a fundamental trade-off between stability robustness and rendering performance. The safety of interaction necessitates the closed-loop stability of a pHRI system when coupled to a wide range of unknown operators and environments. The frequency-domain passivity framework provides powerful analysis tools to study the coupled stability of linear time-invariant systems. In the literature, coupled stability of one-port models of SEA has been studied for various controllers while rendering basic environments, and the necessary and sufficient conditions for such passive terminations have been derived. In this study, we advocate the addition of physical damping in parallel to the compliant element in SEA and provide sufficient conditions for the passivity of series damped elastic actuation (SDEA) under velocity-sourced impedance control (VSIC) while rendering virtual environments with null space, linear spring, or Kelvin-Voigt (KV) models. We show the necessity of a physical dissipative element parallel to the series elastic component to render KV models and discuss the effect of an integral controller while rendering virtual environments modeled by a linear spring. Furthermore, we rigorously prove that SDEA can extend the range of impedances that can be passively rendered with SEA and improve the control performance of the system thanks to the physical damping in parallel to the compliant element. We further extend our results to study the two-port passivity of SDEA under VSIC. We cascade a virtual coupler between the virtual environment and the controlled SDEA and study the coupled stability of SDEA under VSIC for all passive terminations. In particular, we introduce an analysis method based on Sturm's Theorem and provide the necessary and sufficient conditions for the two-port passivity of SDEA under VSIC within the frequency-domain passivity framework. We prove the necessity of additional dissipative elements in the physical filter and the virtual coupler for the two-port passivity of the system. Based on the newly established conditions, we derive non-conservative passivity bounds for the virtual coupler elements. We also show that these dissipative elements enable SDEA to display stiffer virtual environments than those can be passively rendered with an SEA. Finally, we validate our results through a set of physical experiments and systematic numerical simulations.
Benzer Tezler
- 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
- 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
- On the passivity of interaction control withseries elastic actuation
Seri elastik eyleyicili etkileşim kontrolcülerinin pasifliği
FATİH EMRE TOSUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. 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
- Engineering the nonlinear dynamics of photonic systems: Demonstration of the soliton-similariton fiber laser and nonlinear laser lithography
Fotonik sistemlerin doğrusal olmayan dinamiklerinin yönetimi: Soliton-similariton fiber lazer ve doğrusal olmayan lazer litografisinin gösterilmesi
BÜLENT ÖKTEM
Doktora
İngilizce
2013
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FATİH ÖMER İLDAY