Real-time robust control of a series elastic actuator subject to uncertainties

Abstract

Humans are able to perform highly complicated tasks in their daily activities by interacting with the environment. However, for a robotic system, these tasks are quite challenging. To overcome these problems, robotic systems benefit from torque control approaches for enhanced environmental interaction capabilities. Furthermore, having a so-called ideal torque source at the joints may provide human-like movement functionalities for such systems. To that end, series elastic actuators (SEA) are highly preferred as a torque generator due to its numerous advantages such as low output impedance, high output torque bandwidth, and safety. A SEA consists of an electric motor, a reduction gear, and an elastic element. Having an elastic element between the motor and the output of the actuator makes the control problem of SEA highly complicated. Apart from modeling errors and non-linear disturbances, the environment is also unknown beforehand. An ideal actuator has to be robust against such uncertainties, and therefore, high fidelity control problem of SEAs is still an active research area. Hence, this thesis presents a comprehensive comparison study on various off-the-shelf advanced control methods. The study is supported via real-life experiments using the SEA unit that was designed in the Biomechatronics Laboratory of Ozyegin University.Günlük aktivitelerinde insanlar, çevreleriyle etkileşim halinde oldukları oldukça karmaşık görevleri yerine getirmektedir. Fakat bir robotik sistem için bu görevler birçok zorlukların aşılmasını gerektirmektedir. Robotik sistemler bu tür görevler için tork kontrol yaklaşımlarından oldukça fayda sağlarlar. Dahası, eklemlerinde ideal tork eyleyicilerinin bulunması robotik sistemlere insansı kabiliyetler kazandırması açısından önemlidir. Düşük çıkış empedansı, yüksek çıkış torku bant genişliği ve güvenli çalışma gibi avantajlara sahip olan Seri Elastik Eyleyici (SEE), tork üretici olarak yaygın olarak tercih edilmektedir. SEE yapısında bir elektrik motor, redüksiyon dişlisi ve elastik bir parça bulundurmaktadır. Bu elastik parça SEE'ların kontrol problemini oldukça karmaşıklaştırmaktadır. Modelleme hatalarının ve doğrusal olmayan bozucuların yanısıra, çevresel etkenler de önceden kestirilememektedir. İdeal bir eyleyicinin belirsizliklere karşı gürbüz olması beklenir, bu nedenle SEE kontrol problemi hala aktif bir araştırma konusudur. Bu tez, literatürde bulunan farklı gürbüz kontrol metodlarının performans karşılaştırmasını incelemektedir. Karşılaştırma çalışması Özyeğin Üniversitesi Biyomekatronik Laboratuvarında üretilen CoEx-SEA eyleyicisinin deneysel çalışmalarıyla desteklenmiştir.