[論文レビュー] Dynamic Control of Pneumatic Muscle Actuators

Isuru S. Godage, Yue Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2018

Soft Robotics and Applications参考文献 9被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、外部負荷下での位置追従性能を向上させるために、ボウク＝ウェンヒステリシスモデルを用いた気圧筋アクチュエータ（PMAs）の動的制御フレームワークを提案する。計算トルク制御器にヒステリシスモデルを統合することで、特に2 Hzまでの周波数で、標準のPID制御に比べて顕著に優れた位相応答と追従精度を達成しており、高帯域幅のソフトロボティクス応用における強い可能性を示している。

ABSTRACT

Pneumatic muscle actuators (PMA) are easy-to-fabricate, lightweight, compliant, and have high power-to-weight ratio, thus making them the ideal actuation choice for many soft and continuum robots. But so far, limited work has been carried out in dynamic control of PMAs. One reason is that PMAs are highly hysteretic. Coupled with their high compliance and response lag, PMAs are challenging to control, particularly when subjected to external loads. The hysteresis models proposed to-date rely on many physical and mechanical parameters that are difficult to measure reliably and therefore of limited use for implementing dynamic control. In this work, we employ a Bouc-Wen hysteresis modeling approach to account for the hysteresis of PMAs and use the model for implementing dynamic control. The controller is then compared to PID feedback control for a number of dynamic position tracking tests. The dynamic control based on the Bouc-Wen hysteresis model shows significantly better tracking performance. This work lays the foundation towards implementing dynamic control for PMA-powered high degrees of freedom soft and continuum robots.

研究の動機と目的

• 動的で高帯域幅な応用において、非常にヒステリシス的で柔軟性のあるPMAsを制御する課題に対処すること。
• PMAsに内在する位相遅れと非線形性のため、従来のPID制御に限界が生じるのを克服すること。
• 測定が難しい物理的パラメータに依存せずに、実験的に同定された実用的な動的モデルを構築し、PMAsのヒステリシスを捉えること。
• 外部負荷下でも、PMAsの動的で閉ループ制御を可能にし、マルチセクション連続体ロボットへの応用を可能にすること。
• ヒステリシスモデルを用いた計算トルク制御が、リアルタイムで高精度な追従制御を実現可能であることを実証すること。

提案手法

• PMAsの非線形的でレート依存の挙動を捉えるために、ボウク＝ウェンヒステリシスモデルを採用する。
• 異なる圧力と外部負荷下でのPMAs応答の実験的特性評価を通じて、モデルパラメータを同定する。
• 動的非線形性のフィードフォワード補償のため、ヒステリシスモデルを計算トルク制御フレームワークに統合する。
• 安定な圧力制御のため、100 Hzの内側ループと20 Hzの外側ループを有するSimulink Realtime環境に制御器を実装する。
• 閉ループ制御におけるリアルタイム位置フィードバックのため、高精度な線形光学エンコーダーを用いる。
• 同一の実験条件下で、計算トルク制御器と標準のジョイントスペースPID制御器を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボウク＝ウェンヒステリシスモデルは、外部負荷下におけるPMAsの動的挙動を正確に表現できるか？
• RQ2 ボウク＝ウェンモデルに基づく計算トルク制御は、PID制御に比べて位相応答と追従誤差の点でどのように異なるか？
• RQ3 PMAsに起因する位相遅れがあるにもかかわらず、提案された制御器は高周波信号（最大2 Hz）をどの程度追従できるか？
• RQ4 PID制御が失敗する負荷下でも、モデルベース制御器は性能を維持できるか？
• RQ5 この制御戦略により、人間中心の環境で使用されるPMA駆動連続体ロボットの動的で閉ループ動作が可能になるか？

主な発見

• ボウク＝ウェンヒステリシスモデルを組み込んだ計算トルク制御器は、PID制御に比べて優れた追従性能を示した。特に0.5 Hzおよび1.0 Hzでの位相応答が顕著に優れた。
• 1.0 Hzでは、PID制御器が顕著な位相遅れを示したが、計算トルク制御器は参照信号と良好に同期を保った。
• 計算トルク制御器はわずかに10％のオーバーシュートを示したが、速やかに参照信号を正確に追従した。
• 2.0 Hzでは、計算トルク制御器の位相遅れは180°未満を維持したが、PID制御器は180°の位相ずれを示し、追従能力が完全に失われた。
• 計算トルク制御器は2.0 Hzでも、許容可能な追従アモルプトと位相プロファイルを達成しており、高帯域幅応用への実現可能性を示した。
• 結果から、モデルベースの動的制御が負荷下でのPMAs性能を顕著に向上させることを確認した。これにより、動的で人間と協働するソフトロボティクスへの応用が可能になる。