Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 855429
  2. Yazar: ÖZGÜR TAYLAN KENANOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. VOLKAN PATOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 152

Özet

Robotik sistemlerin yüksek üretkenliği ile insanların yüksek adaptasyona sahip karar verme yeteneklerini sinerji ile birleştiren fiziksel insan-robot etkileşimi (fİRE) ameliyat, rehabilitasyon ve hizmet robotik sistemlerinin yapı taşlarından birisi haline gelmiş ve üretim, tarım ve eğlence sektörlerininde de yer edinmiştir. fİRE sistemleri hem yüksek etkileşim performansına sahip olmalı hem de etkileşim sürecinde insanın güvenliğini sağlamalıdır. Ancak, fİRE sistemlerinin gürbüz karar- lılığı ile dokunsal algı yaratma performansı arasında temel ödenleşimler mevcuttur. Fiziksel etkileşimler sırasında kararlılık koşullarını gevşetmek için yaygın olarak kullanılan bir yöntem, eyleyici ile etkileşim noktası arasına kasıtlı olarak esnek bir eleman eklemektir. Seri elastik eyleme~(SEE) olarak adlandırılan etkileşim kontrolü yaklaşımı, bu tür bir esnek eleman üzerindeki kuvvetin ölçülmesine ve esnekliğin modelini kullanan geri-beslemeli bir kuvvet kontrolcüsüne dayanır. Hız kaynaklı empedans kontrolörü (HKEK) adı verilen çok kademeli bir denetleyici SEE'nin kuvvet geri-beslemeli kontrolünde doğal etkileşimler elde etmek için yaygın olarak kullanılır. HKEK, çok çeşitli sanal dinamikler~(SD) için güçlü performans sağlayabilmesi ve kontrolcü kazançlarının kolay belirlenebilmesi nedeniyle tercih edilmektedir. Bu tezde, filtre kullanımının HKEK altındaki SEE'nin gürbüz kararlılığı ve dokunsal algı yaratma performansı üzerindeki etkilerini inceliyor ve doğrusal SD modellerinin uygulanmasındaki temel ödünleşimleri araştırıyoruz. HKEK altındaki SEE'nin kapalı-döngü pasif fiziksel gerçekleştirmelerini türeterek, dokunsal algı yaratma performanslarını incelerken, sistemin pasifliği için gerekli ve yeterli koşul- ları hesaplayarak, kararlılığın gürbüzlüğünü analiz ediyoruz. HKEK altındaki SEE'nin filtreli ve filtresiz koşullardaki pasiflik sınırlarının ve pasif fiziksel gerçek- leştirmelerinin titiz karşılaştırmalarıyla temel ödünleşimleri belirliyoruz. HKEK altındaki SEE ile SD'nin dokunsal algısının yaratılması sırasında filtrelerin üç farklı kullanımının etkilerini araştırıyoruz; (i)~yüksek frekanslı sensör gürültüsü- nü azaltma, (ii)~sistemin faz tepkisini iyileştirmek için bir kontrolcü olarak kullanma ve (iii)~izlenebilirliği ve nedenselliği sağlamak için referans modelin yüksek frekans dinamiklerini şekillendirme. İlk olarak SEE ile doğrusal sanal yay algısı yaratmak için, HKEK'in iç hareket kontrol geri-besleme sinyalindeki sensör gürültüsünü azaltmak bir alçak geçiş filtresi ekleyerek sistemi inceliyoruz. Alçak geçiş filtresi, motor hızının analog bir sensörle ölçüldüğü durumda sensör gürültüsünü, motor konumunun dijital bir sensörle ölçüldüğü durumda sayısal türev işlemi nedeniyle oluşan nicemleme gürültüsünü azaltır. Fitre, aynı zamanda sayısal türev işleminin nedenselliğini de sağlar. Çalış- mamız sonucunda filtrenin sistemin pasifliğini olumsuz etkilemediğini ve sistemdeki parazitik sönümleme etkilerini azalttığı için dokunsal algı yaratma performansını artırdığını gösteriyoruz. Ayrıca, iç hareket kontrol geri-beslemesinde alçak geçişli filtre kullanıldığı durumda, kuvvet kontrolcüsünün de gürültü azaltma özelliğine sahip bir filtre içermesi gerektiğini gösteriyoruz. İkinci olarak, HKEK kontrolcüye sahip SEE ile sanal yay geri-beslemesi sırasında kuvvet kontrolcüsünde faz gecikmeli veya faz ileretici denetleyicilerin kullanımını analiz ediyoruz. Pasif fiziksel gerçekleştirmelerin karşılaştırılması yoluyla, faz gecikmeli denetleyicinin parazitik sönümleme etkilerini azaltarak yay geri-besleme performansını artırabildiğini, faz ileretici denetleyicinin ise bu tür parazitik etkileri arttırdığını gösteriyoruz. Bununla birlikte, pasif olarak geri-beslenebilen sanal sertlik aralığının, bu tür bir denetleyici içermeyen duruma kıyasla, hem faz ileretici hem de faz gecikmeli denetleyiciler için azaldığını gösterdik. Sonuç olarak, kuvvet kontrocüsünde faz gecikmeli denetleyici kullanılması durumunda pasiflik sınırları ile performans arasında temel bir ödünleşim olduğunu gösterdik. Son olarak, ideal kütle-yay-sönümleyici elemanların kombinasyonlarından oluşan referans empedans modellerinin şekillendirilmesinde filtrelemenin etkilerini inceliyoruz. Burada filtreleme hem nedensellik ilkesini hem de sınırlı bant genişliğine sahip kapalı döngü sisteminin takip edilebilirliğini sağlamak açılarından gereklidir. Sonuçlarımız, referans sertlik modeline uygun şekilde seçilmiş fitre bant genişliğinin, pasiflik sınırlarını olumsuz etkilemeden sanal yay geri-besleme performansını iyileştirdiğini göstermektedir. Benzer şekilde, referans sönümleme ve kütle modellerinin filtrelenmesi, hem bu referans empedansların nedenselliğini sağlar, hem de pasiflik sınırları içerisinde sanal sönümlemenin arttırılmasına ve sanal kütlelerin telafisine olanak sağlar. Sanal sönümleme ve kütle modelleri için türetilen pasiflik koşulları, pasif olarak geri-beslenebilecek SD'lerin üst ve alt sınırlarının bulunduğunu göstermektedir. Referans empedans modeli sadece kütle içeriyorsa, pasif olarak geri-beslenebilen minimum kütle, modelin kütlesi ile sınırlıdır. Ancak referans modele sönümleme etkilerinin eklenmesi ile bu sınırın düşürülmesi mümkün hale gelir. Referans empedans modeli paralel bir kütle ve sönümleyiciden oluşuyorsa, sistem sönümle- mesini telafi etmek için negatif bir sönümleme terimi kullanılabilir ve pasifliği bozmadan daha yüksek kütleler geri-beslenebilir. Benzer şekilde, sistem kütlesini telafi etmek için referans modelde negatif bir kütle terimi kullanılabilir ve böylece pasifliği bozmadan daha yüksek sönümlemeli referans modellerinin geri-beslemesine olanak sağlanabilir. Ayrıca sönümleme veya paralel kütle ve sönümleme modelleri oluşturulurken referans modelin bant genişliğinin sınırlandırılması pasiflik koşullarını gevşetir; ancak bu durum aynı zamanda dokunsal algı yaratma performansının da düşmesine neden olur. Genel olarak sonuçlarımız, filtre kullanımının SEE'nin gürbüz kararlılığı ve dokunsal algı yaratma performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermek- tedir. Pasif olarak geri-beslenebilen sanal sertlik seviyelerine bir alt sınır getirme pahasına, sanal sertliği oluştururken istenmeyen sönümlemeyi en aza indirmek için filtrelenmiş bir kuvvet kontrolcüsüyle birlikte filtreli bir iç hareket kontrolcüsü kullanılması tavsiye edilir. Referans empedans modelinin alçak geçirgen filtre ile modellenmesi genel olarak tavsiye edilir; aynı zamanda, örneğin kütle veya sönümleme geri-beslemesi sırasında pasifliği sağlamak için zorunludur. Referans bant aralığını sınırlayan filtrelerin kullanımı durumunda, daha alçak geçiş frekanslarının kullanımı pasif olarak geri-beslenebilen sönümleme ve kütle seviyelerini arttırır. Ancak, alçak geçiş frekansından kaynaklanan pasiflik sınırları ile dokunsal algı yarat- ma performansı arasındaki ödünleşime dikkat edilmelidir. Tüm teorik sonuçlarımız, kararlılık ve kinestetik dokunsal performans karakterizasyon deneyleri ile doğrulanmıştır. Ayrıca bir psikofizik deneyle, filtrelemenin kinestetik dokunsal algı oluşturma performansı üzerindeki etkileri doğrulanmıştır. Genel olarak, bu çalışma, filtrelemenin SEE ile SD'lerin geri-beslemesi sırasında gürbüz kararlılığı ve dokunsal algı yaratma performansı üzerindeki ödünleşimlerinin kapsamlı bir şekilde anlaşılması açısından faydalıdır. Sonuçlarımız, fİRE araştırma- cılarının, dokunsal algı yaratma uygulamalarında filtrelerin kullanımı hakkında daha bilinçli kararlar vermeleri konusunda yol gösterebilir.

Özet (Çeviri)

Synergistically combining the adaptable decision-making capacity of humans with the productivity of robots, systems featuring physical human-robot interaction (pHRI) have become an indispensable component of several fields, such as surgical, rehabilitation, and service robotics, while also finding widespread uses in manufacturing, agriculture, and entertainment industries. pHRI systems are required to provide high interaction performance while ensuring the safety of the user. However, there exists a fundamental trade-off between the stability robustness and kinesthetic haptic rendering fidelity of interaction controllers. One commonly used approach to relax coupled stability conditions during physical interactions is to intentionally introduce a compliant element between the actuator and the interaction point. The interaction control paradigm, called series elastic actuation (SEA), can be implemented by complementing such a plant with a compliant power transmission with a closed-loop force controller that relies on the model of the compliant element. A cascaded controller, called velocity-sourced impedance controller (VSIC), is commonly utilized for the closed-loop force control of SEA, to achieve natural and responsive interactions. VSIC is preferred due to its easy-to-tune controllers that can ensure robust performance while rendering a wide range of virtual environments (VEs). In this thesis, we study the effects of utilization of filters on the stability robustness, and kinesthetic haptic rendering performance of SEA under VSIC and investigate the underlying trade-offs while rendering linear VE models. We analyze the stability robustness by deriving the necessary and sufficient conditions for the passivity of, while we study the fidelity of haptic rendering by deriving passive physical equivalents of closed-loop control of SEA under VSIC. We explore the underlying trade-offs through rigorous comparisons of the passivity bounds and physical equivalents of SEA under VSIC, with and without filters. We explore the effects of three distinct uses of filters during haptic rendering of VEs wıth SEA under VSIC; (i) to attenuate high-frequency sensor noise, (ii) to serve as a compensator to improve the phase response of the system, and (iii) to shape the dynamics of the reference model to ensure its trackability and causality by introducing high-frequency roll-off characteristics. We study the use of filters to attenuate high-frequency sensor noise by introducing a low-pass filter to the motor feedback of the inner motion control loop of VSIC while rendering linear springs with SEA. If motor velocity is measured by an analog sensor, the low-pass filter attenuates the sensor noise. On the other hand, if the motor position is measured by a digital encoder, the low-pass filter not only attenuates the quantization noise amplified by differentiation but also ensures the causality of numerical differentiation. Our results indicate that the passivity of the system is not negatively affected by the noise attenuation, while haptic rendering performance is improved since low-pass filtering decreases parasitic damping effects; hence, enhances the spring rendering performance. On the other hand, if the actuator velocity feedback of the inner motion controller is low-pass filtered, then the force controller should also feature compensators with noise attenuation properties. Next, we analyze the effect of utilizing lag or lead compensators in the force control loop during spring rendering with SEA under VSIC. Through comparisons of passive physical equivalents, we show that the utilization of lag compensators can increase the spring rendering performance by decreasing the parasitic damping effects, while the utilization of lead compensators increases such parasitic effects. However, the range of passively renderable stiffnesses is decreased for both lead and lag compensators, compared to using proportional controllers. Therefore, the trade-off between the passivity bounds and rendering performance improvement should be considered while utilizing lag compensation in the force control loop. Finally, we study the effects of filtering in shaping of the reference impedance models, consisting of linear combinations of ideal mass-spring-damper elements, to ensure their causality and trackability by the closed-loop system with a finite bandwidth. Our results indicate that introducing a properly chosen high-frequency roll-off to the reference stiffness model improves spring rendering performance without negatively affecting the passivity bounds. Similarly, the addition of high-frequency roll-offs to reference viscous damping and mass models not only ensures causality of these reference impedances but also enables passive rendering of virtual damping and passive compensation of virtual masses, significantly extending what is possible without such filters. The passivity conditions for viscous damping and mass rendering indicate that there exist tight upper and lower bounds on such passively renderable impedances. While utilizing a reference impedance model of an ideal mass, the passively renderable minimum mass is bounded by the mass of the plant. However, it becomes possible to further decrease this limit by adding positive damping to the reference model. While utilizing a reference impedance model consisting of a parallel mass-damper, a negative damping term can be used in the reference model to compensate for the system damping, while enabling higher maximum passively renderable mass levels. Similarly, a negative mass term can be used in the reference model to compensate for the system mass, enabling reference models with higher viscous damping, increasing the limit for maximum passively renderable damping levels. Furthermore, while rendering viscous damping or mass-damper models, a decrease in the cut-off frequency of the reference model relaxes the passivity conditions; however, this also causes a decrease in the haptic rendering performance. In general, our results indicate that utilizing filters has a significant effect on the stability robustness-rendering performance trade-off of SEA. It is recommended to use low-pass filtering in the inner motion controller together with a force controller introducing sufficient lag characteristics to minimize parasitic damping while rendering virtual stiffness, at the cost of introducing a lower bound to the passively renderable stiffness levels. Shaping the reference impedance model to feature a high-frequency roll-off is not only recommended but also is often necessary, to ensure passivity, for instance, during pure mass or viscous damping rendering. While the range of passively renderable damping and mass levels increase with more aggressive cut-off frequencies of the reference shaping filter, the cut-off frequency should be also carefully selected to properly balance the trade-off between the conservativeness of the passivity bounds and the haptic rendering performance. All our theoretical results are validated through systematic experimental verifications of coupled stability and characterizations of kinesthetic haptic rendering performance. We further demonstrate the effects of filtering on the kinesthetic haptic rendering performance of humans through a psychophysics experiment. Overall, this study helps achieve a comprehensive understanding of the effects of filtering on the stability robustness-rendering performance trade-off of haptic rendering with SEA. Our results may guide researchers in pHRI to make more informed decisions about the use of filters in haptic rendering applications; to attenuate noise, to enhance system performance, and/or to roll-off high-frequency content of the reference signals.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    760952

    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

    İngilizce

    2022

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU

  2. Tez No

    856197

    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

    İngilizce

    2023

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU

  3. Tez No

    387830

    Design, implementation and BCI-based control of a series elastic mobile robot for home-based physical rehabilitation

    Evde kullanılabilen seri elastik mobil rehabilitasyon robotunun tasarımı, uygulaması ve beyin-bilgisayar arayüzü tabanlı kontrolü

    MİNE SARAÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU

    DOÇ. DR. MÜJDAT ÇETİN

  4. Tez No

    556762

    On the passivity of interaction control withseries elastic actuation

    Seri elastik eyleyicili etkileşim kontrolcülerinin pasifliği

    FATİH EMRE TOSUN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU

  5. Tez No

    831728

    Preference-based human-in-the-loop optimization to improve the perceived realism of haptic rendering

    Dokunsal geri bildirimde algılanan gerçekliği arttırmak için insanın döngü içinde olduğu tercih tabanlı optimizasyon

    BİLAL ÇATKIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU

Geri Dön