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
- Tez No: 760952
- Danışmanlar: PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 185
Özet
Güvenli ve doğal fiziksel insan-robot etkileşimleri (fİRE), etkileşim noktasında robotun empedans davranışının hassas kontrolünü gerektirir. Seri elastik eyleme (SEE), yüksek stabilite gürbüzlüğü ve hassas geri-besleme doğruluğu ile etkileşimler sağlayabildiğinden, fİRE için yaygın olarak kullanılan bir etkileşim kontrol yaklaşımıdır. Seri elastik eyleme, eyleyici ile etkileşim noktası arasına yerleştirilen esnek bir elemana ve bu esnek elemanın modelinin kapalı çevrim kuvvet kontrolü için kullanılmasına dayanır. Esnek eleman, eyleyici ile sensor arasındaki dinamikler ve bant genişliği sınırlamaları nedeniyle ortaya çıkan kontrolcü kazançlarındaki sıkı kararlılık sınırlarını gevşetir ve etkileşim kontrolü için yüksek kararlılık gürbüzlüğü sağlar. Seri viskoelastik eyleme (SVE), SEE'nin seri elastik elemanına paralel bir viskoz sönümleme elemanı eklenerek genellenmiş halidir. SVE, yalnızca SEE'nin düşük olan kuvvet kontrol bant genişliğini arttırmaya yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda enerji verimliliğini arttırma, istenmeyen salınımları azaltma ve kontrolcüde türev terimlerine olan ihtiyacı azaltma açılarından da ek avantajlar sağlayabilir. Hız kaynaklı empedans kontrolü (HKEK), SEE/SVE için en yaygın olarak kullanılan kuvvet kontrol mimarisidir. Gürbüz bir iç hareket kontrol çevrimine sahip olan bu kademeli kontrol mimarisi bozucu kuvvetleri etkin bir şekilde ortadan kaldırarak yüksek geri-besleme performansı sağlar. Model referans kuvvet kontrolü (MRKK), sistem modelinin bilgisi sayesinde girdilere daha hızlı tepki verebildiğinden, HKEK'ye kıyasla etkileşim kontrol performansını iyileştirmeyi vaat eden alternatif bir kontrol yaklaşımıdır. Bu tezde, seri (viskoelastik) elastik eyleme (SEE/SVE) HKEK ile sıfır empedans, sanal yay ve Voigt modeli geri-beslemesi sırasında kapalı döngü sistemin frekans bölgesi pasifliği için gerekli ve yeterli koşulları sunuyoruz. Ayrıca, kapalı çevrim~kont$\-$rolde seri elastik eleman üzerinde oluşan sönümleme kuvvetinin ihmal edilmesinin etkisini titizlikle inceleyip etkileşim kuvvetini tahmin etmek için sadece seri elastik elemanın kullanıldığı durumdaki sistemin etkileşimin pasifliği için gerekli ve yeterli koşulları sağlıyoruz. Bu model, seri elastik eleman üzerindeki doğal sönümleme~etki$\-$lerinin göz ardı edildiği genel kullanımdaki duruma denk gelmektedir. Pasiflik sınırlarının anlaşılmasına yardımcı olmak ve farklı sistem parametrelerinin ve kontrol kazançlarının sistemin performansı üzerindeki etkilerini incelemek için kapalı çevrim kontrolü altındaki SEE/SVE'lerin pasif fiziksel gerçekleştirmelerini sunuyoruz. Pasif fiziksel gerçekleştirmeler aracılığıyla, farklı sistem dinamiklerinin (örneğin, SEE ve SVE) ve farklı kademeli kontrol mimarilerinin (örneğin, P-P ve P-PI kontrolcüler) sistem performansı üzerindeki etkilerini karşılaştırıyoruz. Ayrıca, pasif fiziksel gerçekleştirmelerin etkin empedans analizini kapsadığını gösteriyoruz. Ayrıca, seri elastik elemandaki sönümleme kuvvetinin ölçülmesinin veya bu kuvvetin ihmal edilmesinin sistemin kapalı çevrim geri-besleme performansı üzerindeki etkilerini karşılaştırıyoruz. Gürbüz iç hareket kontrol çevrimini bir alçak geçiren filtre ile modelleyerek, seri elastik elemanın sönümleme kuvvetinin ihmal edildiği uygulama için derecesi azaltılmış bir model öneriyoruz. Bu varsayımın sistemin kararlılığı ve geri-beslemesi performansı üzerindeki etkilerini incelemek için bu derecesi azaltılmış model için pasiflik koşullarını ve fiziksel gerçeleştirmelerini türetiyoruz ve sonuçları tam dereceli modelle karşılaştırıyoruz. Sonuçlarımızı, model referans kuvvet kontrolü (MRKK) gibi alternatif kontrol algoritmalarına için genişletiyoruz. MRKK altında SEE/SVE'nin sıfır empedans ve ideal yay geri-beslemesi sırasında pasifliği için yeterli koşulları sunuyoruz. Robot eylemsizliğinin fazla tahmin edilmesinin ve seri elastik elemanın sertliğinin olduğundan az tahmin edilmesinin, sönümleme telafisinde bir alt limit ihlal edilmediği sürece, sıfır empedans geri-beslemesi sırasında MRKK altında SEE için etkileşimin bağlaşık kararlılığını garantiyebileceğini kanıtlıyoruz. Pasiflik koşullarının geçerliliğini ve haptik geri-besleme performansını sistematik simülasyon çalışmalar ile deneysel olarak doğruluyor, farklı sistem dinamikleri ve farklı denetleyici mimarileri altında empedans geri-besleme performansını kapsamlı fiziksel deneyler aracılığıyla gösteriyoruz.
Özet (Çeviri)
Safe and natural physical human-robot interactions (pHRI) require precise control of the impedance behaviour of the robot at the interaction port. Series elastic actuation (SEA) is a commonly used interaction control paradigm for pHRI, as it can provide interactions with excellent stability robustness and high rendering fidelity. Series elastic actuation relies on a compliant element placed between the actuator and the interaction port and the utilization of the model of this compliant element to implement closed-loop force control. The compliant element relaxes the strict stability bounds on the controller gains induced due to non-collocation and bandwidth limitations and provides excellent stability robustness for interaction control. Series damped elastic actuation (SDEA) extends SEA by introducing a viscous dissipation element parallel to the series elastic element. SDEA can, not only help increase the force control bandwidth of SEA but also provide additional advantages, in terms of improving energy efficiency, reducing undesired oscillations, and alleviating the need for D-control terms. Velocity sourced impedance control (VSIC) is the most commonly used force control architecture for S(D)EA, as its cascaded control architecture with a robust inner motion control loop can effectively eliminate parasitic forces, leading to good rendering performance. Model reference force control (MRFC) is an alternative approach that promises to improve interaction control performance compared to VSIC, as the knowledge of the plant model enables feedforward action to react to inputs more quickly. In this thesis, we establish the necessary and sufficient conditions for frequency domain passivity of series (damped) elastic actuation (S(D)EA) while rendering null impedance, ideal springs, and Voigt model under VSIC. Furthermore, we rigorously study the effect of omitting the damping force induced on the serial compliant element in closed-loop control and provide the necessary and sufficient conditions for the passivity of interaction when only the deflections of the serial elastic element is used to estimate the interaction forces. This model captures a common implementations of SEA, where the inherent damping effects on the serial elastic element is ignored. We introduce passive physical equivalents for S(D)EAs under closed-loop control to help establish an intuitive understanding of the passivity bounds and to highlight the effect of different plant parameters and controller terms on the closed-loop performance of the system. Through the passive physical equivalents, we rigorously compare the effect of different plants dynamics (e.g., SEA and SDEA) and different cascaded controller architectures (e.g., P-P and P-PI) on the system performance. Moreover, we show that passive physical equivalents establish a natural means for effective impedance analysis. Furthermore, we compare the effect of measuring and omitting the damping force of the series elastic element on the closed-loop rendering performance of the system. We also study a reduce order model for the implementation where the damping force of the series elastic element is omitted, by replacing the robust inner motion control loop by a low-pass filter. We establish passivity conditions and physical equivalents for this reduce order model and compare the results with the full-order model to study the effects of this simplifying assumption on the stability and rendering performance of the system. We further extend our study to alternative control algorithms, such as model reference force control (MRFC). We present sufficient conditions for passivity of S(D)EA under MRFC during null impedance and ideal spring rendering. We prove that overestimation of robot inertia and underestimation of the stiffness of the series elastic element can ensure coupled stability of interaction for SEA under MRFC during null impedance rendering, as long as a lower limit on damping compensation is not violated. We demonstrate the validity of passivity conditions and the performance of haptic rendering through systematic simulation studies, as well as comprehensive set of physical experiments where we experimentally verify the passivity bounds and demonstrate the impedance rendering performance under different plant dynamics and different controller architectures.
Benzer Tezler
- Fin hat yapısının analizi ve fin hat filtreleri
Analysis of fin line structures and fin line filters
AZİZ GEDİZ SEZGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ERCAN TOPUZ
- Analog aktif tüm-geçiren filtrelerin gerçeklenmesi
Realization of analog active all-pass filters
ALP TÜZÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1990
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. CEVDET ACAR
- Üst yönetici değişikliğinin kurumun personel bütçesine yansımaları
Reflections of the change of the top executive to the personnel budget of the institution
MUSTAFA İNCEYOL
- Sağlığın finansmanı ve Türkiye için sağlık finansman modeli önerisi
Financing health care and a model proposal for Turkey
GÜLBİYE YENİMAHALLELİ YAŞAR
Doktora
Türkçe
2007
Sağlık Kurumları YönetimiAnkara ÜniversitesiÇalışma Ekonomisi ve Endüstri İlişkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞERİFE TÜRCAN ÖZŞUCA
- Tatil köylerinde arsa-yerleşim şeması-yoğunluk ilişkileri
The Relationship among building area-settlement schema density compenents in holiday villages
ÖMER EREM