[論文レビュー] Two-Port Analysis of Stability and Transparency in Series Damped Elastic Actuation

Ugur Mengilli, Umut Çalışkan+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2020

Teleoperation and Haptic Systems参考文献 56被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、速度入力型インピーダンス制御下における直列減衰型エラスティックアーキテクチャ（SDEA）における2ポートパスファイテイの必要十分条件を提示し、絶対安定性および透明性の向上に寄与する並列物理的ダンパーと散逸的仮想カップラーが不可欠であることを証明している。この手法により、標準的なSEAの根本的制限を克服し、物理的スプリング剛性を超える仮想的剛性値のレンダリングが可能となる。

ABSTRACT

Series Elastic Actuation (SEA) is a widely-used approach for interaction control, as it enables high fidelity and robust force control, improving the safety of physical human-robot interaction (pHRI). Safety is an imperative design criterion for pHRI that limits the interaction performance since there exists a fundamental trade-off between stability robustness and rendering performance. The safety of interaction necessitates the closed-loop stability of a pHRI system when coupled to a wide range of unknown operators and environments. In this study, we provide the necessary and sufficient conditions for two-port passivity of series damped elastic actuation under velocity-sourced impedance control within the frequency-domain passivity framework. Based on the newly established conditions, we derive non-conservative passivity bounds for a virtual coupler and rigorously prove the necessity of a dissipative element parallel to the series elastic component and the necessity of a virtual coupler with dissipation for the absolute stability and two-port passivity of the system. The additional dissipative elements in the physical filter and the virtual coupler enable the system to render virtual stiffness values higher than that can be rendered using a pure SEA. Our results extend earlier studies on coupled stability by presenting the necessary and sufficient conditions for all passive terminations. We validate our results through a set of physical experiments and systematic numerical simulations.

研究の動機と目的

• 速度入力型インピーダンス制御下におけるSDEAにおける2ポートパスファイテイの必要十分条件を確立すること。
• 物理的人間-ロボットインタラクション（pHRI）における安定性のロバストネスと力レンダリング性能の間の根本的トレードオフを解消すること。
• 絶対安定性および2ポートパスファイテイを達成するために、並列物理的ダンパーと散逸的仮想カップラーが必須であることを証明すること。
• 既存の結合安定性解析を拡張し、未知の人間および環境インピーダンスを含む、すべてのパassing終端に対して有効な境界を提供すること。
• 理論的結果を数値シミュレーションおよび物理的実験により検証すること。

提案手法

• すべてのパassing終端に対して安定性を評価するため、2ポートパスファイテイフレームワークを用いた形式的な周波数領域パスファイテイ解析。
• インピーダンス伝達関数の正実性を解析的に特定するためのシュールムの定理の適用。
• システムパラメータおよびコントローラー・ゲインに基づく、非保守的パスファイテイ境界の導出。
• 物理的フィルタ（直列スプリングと並列ダンパー）と、調整可能な剛性およびダンピングを持つ仮想カップラーを有するSDEAのモデル化。
• 運動コントローラーの積分ゲインおよびフィードフォワード力キャンセレーションを含む、コントローラー部品の体系的分析。
• 理論的予測の妥当性を確認するための数値シミュレーションおよび物理的実験による検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 速度入力型インピーダンス制御下におけるSDEAにおける2ポートパスファイテイの必要十分条件は何か？
• RQ2 散逸的仮想カップラーが存在するにもかかわらず、なぜ並列物理的ダンパーが絶対安定性のためには必須なのか？
• RQ3 散逸的仮想カップラーの導入が、物理的スプリング剛性を超える仮想的剛性の最大レンダリングをどのように向上させるのか？
• RQ4 運動コントローラーの積分ゲインが、非ゼロの仮想的剛性レンダリングを達成するために果たす役割は何か？
• RQ5 フィードフォワード力キャンセレーションは、システムのパスファイテイおよび到達可能な最大剛性にどのように影響するか？

主な発見

• 並列物理的ダンパーは、SDEAの2ポートパスファイテイおよび絶対安定性を達成するために、すなわち散逸的仮想カップラーが存在する場合でも厳密に必要不可欠である。
• 仮想カップラーには散逸的要素（正のダンピング）が含まれていなければならない。そうでなければ、安定性は保証されない。
• SDEAは、物理的スプリング剛性を超える仮想的剛性値をパスファイティ的にレンダリング可能であり、これは標準的なSEAの主要な制限を克服するものである。
• 運動コントローラーの積分ゲインは、非ゼロの仮想的剛性をレンダリングするために不可欠である。これがないと、システムは仮想スプリングを表示できない。
• フィードフォワード力キャンセレーションは、仮想カップラーの剛性の上限を低下させ、安定性マージンを低下させる。
• 仮想カップラーのダンピングおよび剛性、およびコントローラー・ゲインの最適チューニングにより、到達可能な仮想的剛性および透明性が最大化される。