Dynamic Modeling of the 4 DoF BioRob Series Elastic Robot Arm for Simulation and Control

ABSTRACT

This paper presents the modeling of the light-weight BioRob robot arm with series elastic actuation for simulation and controller design. We describe the kinematic coupling introduced by the cable actuation and the robot arm dynamics including the elastic actuator and motor and gear model. We show how the inverse dynamics model derived from these equations can be used as a basis for a position tracking controller that is able to sufficiently damp the oscillations caused by the high, nonlinear joint elasticity. We presents results from simulation and briefly describe the implementation for a real world application.

INTRODUCTION

Elasticity in the actuation of robotic arms was for a long time seen as undesirable. When introducing a series elasticity in the joint actuation, reduced torque and force bandwidth and increased controller complexity for oscillation damping and tracking control are the result. Research on series elastic actuators however, showed that mechanical compliance in the joint actuation can simplify force control in constrained situations, increase safety because of the low-pass filtering of torque and force peaks between the decoupled joint and gearbox , and increase performance of specific tasks because of the possibility to store mechanical energy in the elasticity. For example, the increase of performance for throwing was examined in . In , an actuation approach with two motors per joint increasing torque bandwith without compromising safety was examined. A classification of elastic joint actuation principles is given in . Flexible link manipulators are also subject to current research. But these systems are even harder to control, especially when dealing with multiple degrees of freedom, and do not introduce significant advantages compared to joint elasticity. An overview over research on flexible joint and link systems with an emphasis on flexible links is given in . The modeling of an elastic joint robot with a reduced model was presented in . The complete model and analysis of the model structure was derived in and complemented by . The control of elastic joint robots with a controller relying solely on motor-based sensor data was presented in . The use of full state feedback was examined in and . Feedforward/feedback control laws are covered in . A good overview over modeling and control methods for robot arms with joint and link flexibility is given in.

چکیده

در این مقاله مدل سازی بازوی ربات سبک وزن BioRob با عملکرد الاستیک سری برای طراحی شبیه سازی و کنترل طراحی شده است. ما توضیح می دهیم که اتصال سینماتیک که از طریق راه اندازی کابل و دینامیک بازوی ربات از جمله گیرنده الاستیک و مدل موتور و دنده معرفی شده است. ما نشان می دهیم که چگونه مدل دینامیکی معکوس حاصل از این معادلات را می توان به عنوان پایه ای برای یک کنترل کننده موقعیت ردیابی استفاده کرد که می تواند نوسانات ناشی از انعطاف پذیری بالا، غیرخطی را خنثی کند. ما نتایج شبیه سازی را ارائه می دهیم و به طور خلاصه اجرای آن را برای یک برنامه دنیای واقعی توصیف می کنیم.

مقدمه

برای مدت زمان طولانی، انعطاف پذیری در بازوهای روباتیک دیده می شد؛ زیرا الاستیسیته در راه اندازی سلاح های روباتیک برای مدت طولانی به عنوان نامطلوب دیده می شد. هنگام معرفی یک الاستیسیته سری در اعمال مشترک، کاهش پهنای باند گشتاور و نیروی و افزایش پیچیدگی کنترل کننده برای نوسان نوسان و کنترل ردیابی نتیجه می شود. تحقیقات در مورد سریهای الاستیک سری نشان داد که تطابق مکانیکی در اعمال مشترک می تواند کنترل نیرو را در شرایط محدود شده ساده کند، باعث افزایش ایمنی می شود زیرا فیلتر کردن گشتاور کم و نیروی بین اتصالات جدا شده و گیربکس و افزایش کارایی وظایف خاص به دلیل امکان ذخیره انرژی مکانیکی در کشش. به عنوان مثال، افزایش عملکرد برای پرتاب در مورد بررسی شد. در داخل، یک رویکرد عملیاتی با دو موتور در هر مشترک افزایش گشتاور گشتاور بدون مصالحه ایمنی مورد بررسی قرار گرفت. طبقه بندی اصول اکتیو الاستیک درج شده است. مونیتورهای پیوند انعطاف پذیر نیز به پژوهش های فعلی مربوط می شود. اما این سیستم ها حتی کنترل بیشتری دارند، مخصوصا وقتی که با چندین درجه آزادی برخورد می کنند و در مقایسه با انعطاف پذیری مشترک، مزایای قابل توجهی را نشان نمی دهند. یک مرور کلی از تحقیقات در مورد سیستم های مشترک انعطاف پذیر و لینک با تاکید بر لینک های انعطاف پذیر در داده شده است. مدل سازی یک ربات متحرک الاستیک با مدل کاهش یافته در این مقاله ارائه شده است. مدل کامل و تجزیه و تحلیل ساختار مدل با آن مشتق شده و تکمیل شده است. کنترل ربات های مشترک الاستیک با یک کنترل کننده که تنها بر اساس داده های حسگر مبتنی بر موتور استفاده می شود، ارائه شده است. استفاده از بازخورد کامل حالت در و مورد بررسی قرار گرفت. قوانین کنترل Feedforward / feedback در موارد زیر پوشش می شود. یک مرور خوب در مورد روش های مدل سازی و کنترل برای سلاح های ربات با انعطاف پذیری مشترک و لینک داده شده در مورد نامطلوب است. هنگام معرفی یک الاستیسیته سری در اعمال مشترک، کاهش پهنای باند گشتاور و نیروی و افزایش پیچیدگی کنترل کننده برای نوسان نوسان و کنترل ردیابی نتیجه می شود. تحقیقات در مورد سریهای الاستیک سری نشان داد که تطابق مکانیکی در اعمال مشترک می تواند کنترل نیرو را در شرایط محدود شده ساده کند، باعث افزایش ایمنی می شود زیرا فیلتر کردن گشتاور کم و نیروی بین اتصالات جدا شده و گیربکس و افزایش کارایی وظایف خاص به دلیل امکان ذخیره انرژی مکانیکی در کشش. به عنوان مثال، افزایش عملکرد برای پرتاب در مورد بررسی شد. در داخل، یک رویکرد عملیاتی با دو موتور در هر مشترک افزایش گشتاور گشتاور بدون مصالحه ایمنی مورد بررسی قرار گرفت. طبقه بندی اصول اکتیو الاستیک درج شده است. مونیتورهای پیوند انعطاف پذیر نیز به پژوهش های فعلی مربوط می شود. اما این سیستم ها حتی کنترل بیشتری دارند، مخصوصا وقتی که با چندین درجه آزادی برخورد می کنند و در مقایسه با انعطاف پذیری مشترک، مزایای قابل توجهی را نشان نمی دهند. یک مرور کلی از تحقیقات در مورد سیستم های مشترک انعطاف پذیر و لینک با تاکید بر لینک های انعطاف پذیر در داده شده است. مدل سازی یک ربات متحرک الاستیک با مدل کاهش یافته در این مقاله ارائه شده است. مدل کامل و تجزیه و تحلیل ساختار مدل با آن مشتق شده و تکمیل شده است. کنترل ربات های مشترک الاستیک با یک کنترل کننده که تنها بر اساس داده های حسگر مبتنی بر موتور استفاده می شود، ارائه شده است. استفاده از بازخورد کامل حالت در و مورد بررسی قرار گرفت. قوانین کنترل Feedforward / feedback در موارد زیر پوشش می شود. یک مرور کلی خوب در مورد روش های مدل سازی و کنترل ربات ها با انعطاف پذیری مشترک و لینک داده شده است.