[논문 리뷰] Dynamic Control of Pneumatic Muscle Actuators

Isuru S. Godage, Yue Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 12.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 9인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 외부 하중 하에서 위치 추적 성능을 햖스시키기 위해 부동-웬 히스테리시스 모델을 사용한 풍압 근육 액추에이터(PMA)를 위한 동적 제어 프레임워크를 제안한다. 계산된 토크 제어기와 히스테리시스 모델을 통합함으로써, 특히 2 Hz 이하의 주파수에서 표준 PID 제어에 비해 훨씬 우수한 위상 응답과 추적 정확도를 달성한다. 이는 고대역 소프트 로봇 응용 분야에서 강력한 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고도로 히스테리시스가 발생하고 유연한 PMA를 고속, 고대역 응용에서 제어하는 데 도전하는 것.
• PMA 내부의 고유한 위상 지연과 비선형성으로 인해 기존 PID 제어의 한계를 극복하는 것.
• 측정하기 어려운 물리적 매개변수에 의존하지 않고도 PMA의 히스테리시스를 잘 포괄하는 실용적이고 실험적으로 특정된 동적 모델을 개발하는 것.
• 다중 섹션 연속 로봇에서 사용 가능한 외부 하중 하에서 PMA의 동적이고 피드백 기반의 제어를 가능하게 하는 것.
• 실시간 고성능 추적을 위한 히스테리시스 모델 기반 계산된 토크 제어의 실현 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• PMA의 비선형적이고 속도 의존적인 거동를 포착하기 위해 부동-웬 히스테리시스 모델을 사용한다.
• 다양한 압력 및 외부 하중 조건에서 PMA 반응을 실험적으로 특성화하여 모델 매개변수를 특정한다.
• 동적 비선형성의 피드포워드 보정을 위해 히스테리시스 모델을 계산된 토크 제어 프레임워크에 통합한다.
• 안정적인 압력 조절을 위해 100 Hz 내부 루프와 20 Hz 외부 루프를 갖춘 Simulink Realtime 환경에서 제어기를 구현한다.
• 피드백 기반의 닫힘 루프 제어에서 실시간 위치 피드백을 위해 고해상도 선형 옵티컬 엔코더를 사용한다.
• 동일한 실험 조건에서 계산된 토크 제어기와 표준 관절 공간 PID 제어기를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부동-웬 히스테리시스 모델은 외부 하중 조건에서 PMA의 동적 거동을 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ2 부동-웬 모델 기반의 계산된 토크 제어는 위상 응답과 추적 오차 측면에서 PID 제어에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ3 PMA로 인한 위상 지연에도 불구하고, 제안된 제어기는 고주파 신호(최대 2 Hz)를 어느 정도 정확하게 추적할 수 있는가?
• RQ4 PID 제어가 실패하는 상황에서, 모델 기반 제어기는 하중 조건에서도 성능을 유지하는가?
• RQ5 이 제어 전략은 인간 중심 환경에서 PMA 구동 연속 로봇의 동적이고 피드백 기반의 작동을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 부동-웬 히스테리시스 모델을 적용한 계산된 토크 제어기는 특히 0.5 Hz와 1.0 Hz에서 위상 응답 측면에서 PID 제어에 비해 뛰어난 추적 성능을 보였다.
• 1.0 Hz에서 PID 제어기는 심한 위상 지연를 보였지만, 계산된 토크 제어기는 기준 신호와 더 나은 동기화를 유지했다.
• 계산된 토크 제어기는 약 10%의 오버슈트를 보였지만, 빠르게 기준 신호를 정확히 따라가도록 보정했다.
• 2.0 Hz에서 계산된 토크 제어기는 위상 지연가 180° 미만을 유지했지만, PID 제어기는 위상이 180° 어긋나 전체 추적 능력 상실을 보였다.
• 계산된 토크 제어기는 2.0 Hz에서도 수용 가능한 추적 진폭과 위상 프로파일을 유지하여 고대역 응용에 대한 실현 가능성을 입증했다.
• 결과는 모델 기반 동적 제어가 하중 조건에서 PMA 성능을 크게 향상시키며, 동적이고 인간과 상호작용하는 소프트 로봇 응용에 잠재적 활용 가능성을 보여준다.