Passive Realizations of Series Elastic Actuation: Effects of Plant and Controller Dynamics on Haptic Rendering Performance

要約

閉ループ制御下での直列 (減衰) 弾性作動 (S(D)EA) の最小限の受動的物理的等価物を導入して、さまざまなプラント パラメーターとコントローラー ゲインがシステムの閉ループ パフォーマンスに及ぼす影響を判断し、システムの閉ループ性能の確立に役立てます。
受動性の境界を直感的に理解します。
さらに、これらの受動的物理的等価物の実現可能性条件を明示的に導出し、それらを速度源インピーダンス制御 (VSIC) 下の S(D)EA 受動性の必要十分条件と比較して、それらの関係を確立します。
受動的な物理的等価物を通じて、システムのパフォーマンスに対するさまざまなプラントのダイナミクス (SEA や SDEA など) の影響を厳密に比較します。
我々は、受動的な物理的等価物がコントローラーのゲインの効果を明示し、効果的なインピーダンス解析のための自然な手段を確立することを実証します。
また、受動的な物理的等価物が、(おそらく負の) コントローラー ゲインとプラント パラメーターの同時かつ公平な考慮を強制することにより、共同設計思考を促進することも示します。
適切に設計されたプラント ダイナミクスと組み合わせた場合の負のコントローラー ゲインの有用性を実証します。
最後に、理論的結果の実験的検証と、VSIC での S(D)EA の触覚レンダリング パフォーマンスの特性評価を提供します。

要約(オリジナル)

We introduce minimal passive physical equivalents of series (damped) elastic actuation (S(D)EA) under closed-loop control to determine the effect of different plant parameters and controller gains on the closed-loop performance of the system and to help establish an intuitive understanding of the passivity bounds. Furthermore, we explicitly derive the feasibility conditions for these passive physical equivalents and compare them to the necessary and sufficient conditions for the passivity of S(D)EA under velocity sourced impedance control (VSIC) to establish their relationship. Through the passive physical equivalents, we rigorously compare the effect of different plant dynamics (e.g., SEA and SDEA) on the system performance. We demonstrate that passive physical equivalents make the effect of controller gains explicit and establish a natural means for effective impedance analysis. We also show that passive physical equivalents promote co-design thinking by enforcing simultaneous and unbiased consideration of (possibly negative) controller gains and plant parameters. We demonstrate the usefulness of negative controller gains when coupled to properly designed plant dynamics. Finally, we provide experimental validations of our theoretical results and characterizations of the haptic rendering performance of S(D)EA under VSIC.

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