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
- Tez No: 856197
- Danışmanlar: PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
Fiziksel insan-robot etkileşimi (fİRE), üretim, robot destekli rehabilitasyon ve artırılmış/sanal gerçeklik uygulamalarında yoğun kullanılan bir teknolojidir. fİRE'-nin amacı, sistem performansından taviz vermeden, insan-robot etkileşimleri sırasın-da güvenli arayüzler tasarlamaktır. Ancak, bu tür uygulamaların güvenliği ile performansı arasında kaçınılmaz bir ödünleşim mevcuttur. Bu çalışma, admitans kontrolü altındaki dokunsal arayüzlerin kararlılık gürbüzlüğü ve dokunsal algı performansı arasındaki ödünleşmeleri keşfetmeyi amaçlamaktadır. Temel admitans kontrolü (TAC) altında seri elastik eyleme (SEE) temelli ana-lizimiz, admitans kontrolü altındaki diğer kinestetik dokunsal arayüzleri, sensör sertliğinin yüksek olduğu özel bir durum olarak kapsar. Kararlılık gürbüzlüğünü analiz etmek için, admitans kontrolü altındaki SEE'nin pasif olabilmesi için gerekli ve yeterli koşullar türetilmiştir. Bu sistemlerin performansını analiz etmek içinse, kapalı döngü sistemlere karşılık gelen, kütleler, yaylar, sönümleyiciler ve bunların kombinasyonlarından oluşturan, pasif fiziksel gerçekleşimler türetilmiştir. Pasif fiziksel gerçekleşimler aracılığıyla, farklı kont-rolcü yapılarının ve sistem/kontrolcü parametrelerinin kapalı döngü sistemlerin performansına etkileri incelenmiştir. Ayrıca pasif fiziksel gerçekleşimler aracılığıyla, parazitik etkiler tanımlanmış, farklı kapalı döngü sistemlerinin dokunsal algı performansı karşılaştırılmış ve düşük/yüksek frekans davranışları incelenmiştir. Sonuçlarımız, kuvvet sensörünün esnekliği arttıkça kararlılık gürbüzlüğünün arttığı-nı göstermektedir. Ayrıca, daha yumuşak bir kuvvet sensörünün kullanılması, sanal bir kütle oluşturulurken daha etkin atalet telafisine imkan vermektedir; ancak bu sonuçlar daha sınırlı bir performans bant genişliğinde geçerlidir. Ayrıca, daha esnek bir kuvvet sensörü, sanal yay oluşturulurken parazitik sönümleme et-kilerinin daha düşük tutulmasını sağlar; ancak pasif olarak geri-beslenebilen yay sertliği seviyelerindeki üst sınırı azaltır. Bu nedenle, tasarımı gereği esnek bir kuvvet sensörüne sahip olan SEE, etkin atalet telafisi ve düşük empedansların yüksek kaliteli geri-beslemesi için önerilmektedir. Admitans kontrollü kinestetik dokunsal arayüzlerle sanal ortamların oluşturulması-na yönelik kapsamlı öneriler sunuyoruz. İlk olarak, sanal kütle oluşturulurken, modelde uygun miktarda sanal sönümlemenin eklenmesini öneriyor ve bu tür bir sönümlemenin modele eklenmesinin pasiflik sınırlarını genişletirken dokunsal algı yaratma performansını olumsuz yönde etkilediğini gösteriyoruz. İkinci olarak, düşük parazitik sönümleme ile gerçekleştirilmiş dokunsal algılar elde etmek için yumuşak bir kuvvet sensörü seçilmesini öneriyoruz. Ancak, yumuşak bir kuvvet sensörünün, maksimum pasif olarak gerçekleştirilebilir sertliğe bir sınırlama getireceğini de not ediyoruz. Üçüncü olarak, pasiflik şartlarını sağlama konusunda daha avantajlı oldukları için kütleme ve sönümleme gibi yüksek empedansa sahip sanal ortamlar için admitans kontrolcüsünün, boşluk ve yay gibi düşük empedanslı sanal ortamlar içinse hız kaynaklı empedans kontrolcüsünün (HKEK) kullanılmasını öneriyoruz. Son olarak, gerçekçi bant genişliği sınırlamaları altında, ileri beslemeli denetleyici terimleri aracılığıyla pasif atalet telafisinin mümkün olmadığını, ancak ileri besleme sayesinde düşük frekanslarda görüntüleme performansının arttırılabile-ceğini gösteriyoruz. Teorik bulgularımızı deneysel olarak da test ediyor ve pasiflik sınırlarını en kararsız-laştırıcı ortamlarla bağlaşık kararlılık deneyleri aracılığıyla, dokunsal algı yaratma performansını ise kapalı döngü sistemi karakterize ederek doğruluyoruz. Bu çalışma kapsamında, admitans kontrolü altında çalışan kinestetik dokunsal arayüzlerde kararlılık gürbüzlüğü ve görüntüleme doğruluğu arasındaki ödünleşimler kapsamlı bir şekilde incelenmiş ve sanal ortamların oluşturulmasına yönelik öneriler sunulmuştur. Admitans kontrolü, HKEK gibi daha karmaşık kontrol mimarilerinin temel bir bileşenini oluşturduğu için, sonuçlarımız bu tür kontrolcüler için de genellenebilir niteliktedir. Bu çalışma kapsamında sunulan öneriler, araştırmacıların, admitans kontrolü altında çalışan daha etkin dokunsal arayüzler tasarlamalarına, pasif sanal ortam görüntülerini yüksek doğrulukla elde etmelerine ve etkileşim kontrolcülerinin kısıtlamalarını daha iyi anlamalarına yardımcı olabilecek niteliktedir.
Özet (Çeviri)
Physical human-robot interaction (pHRI) is an emerging field that includes applications in manufacturing, rehabilitation, and AR/VR technologies. The goal of pHRI is to design interfaces with a focus on safety, minimizing the risks of injuries during human-robot interactions, without compromising system performance. However, there is an inherent trade-off between the safety and performance of robots in these applications. This study explores stability robustness and rendering fidelity trade-offs of haptic interfaces under admittance control. Our analysis is based on series elastic actuation (SEA) under the basic admittance control (BAC) and covers other admittance-controlled kinesthetic haptic interfaces as a special case when the sensor stiffness is set high. To analyze stability robustness, we derive necessary and sufficient conditions for the passivity of the admittance-controlled SEA while rendering various fundamental components, such as masses, springs, dampers, and their combinations. The performance of these renderings is analyzed by deriving passive physical equivalents of the corresponding closed-loop systems. Passive physical equivalents allow us to examine how different controller structures and plant/controller parameters affect the performance of a closed-loop system. We can also identify parasitic effects, study low/high frequency behaviors, and compare the rendering performance of different closed-loop systems with each other, through passive physical equivalents. Our results indicate that the stability robustness is increased as the force sensor becomes more compliant. Moreover, utilization of a softer force sensor enables better inertia compensation while rendering a virtual mass, at the expense of a more limited performance bandwidth. Furthermore, a softer force sensor also enables parasitic damping effects to be kept lower while rendering a virtual stiffness, at the expense of lower upper bounds on passively renderable stiffness levels. SEA is better suited for improved inertia compensation and high fidelity rendering of low impedances are required. We provide a comprehensive set of guidelines for rendering virtual environments with admittance controlled kinesthetic haptic interfaces. First, when a virtual mass is rendered, adding an appropriate amount of virtual damping to the model is recommended, as such damping enlarges passivity bounds. On the other hand, the addition of such damping adversely affects the rendering fidelity. Second, to achieve renderings with low parasitic damping, it is recommended to select a compliant force sensor. However, a compliant force sensor will introduce a limit to the maximum passively achievable stiffness. Thirdly, the admittance controller is suggested for high-impedance virtual environments, such as mass-damping renderings since passivity does not impose an upper bound on these environments, while velocity-sourced impedance control (VSIC) is recommended for low-impedance virtual environments, such as spring or free space renderings. Finally, we show that passive inertia compensation via feedforward controller terms is not possible under realistic bandwidth limitations, while feedforward terms can improve rendering performance at low frequencies. Our theoretical findings are also experimentally verified; passivity bounds are confirmed through coupled stability experiments with relevant most destabilizing environments while rendering performance is characterized by exciting the closed loop systems with an ideal motion source. Overall, this study provides a rigorous analysis of stability robustness and rendering fidelity trade-offs involved in kinesthetic haptic interfaces operating under admittance control, including SEA. Moreover, our results have direct consequences for more complex control approaches, such as VSIC, as admittance control constitutes a fundamental component within such architectures. Our guidelines can help the researchers implement passive virtual environment renderings with high fidelity, design more capable haptic interfaces for admittance control, and better understand the limitations of their interaction controllers.
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
- Fractional order control in haptics
Haptikte kesir dereceli denetim
OZAN TOKATLI
Doktora
İngilizce
2015
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. 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
- 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
- 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