[论文解读] 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 8

一句话总结

该论文提出了一种基于Bouc-Wen迟滞模型的气动肌肉执行器（PMAs）动态控制框架，以在外部负载下提升位置跟踪性能。通过将迟滞模型集成到计算转矩控制器中，该方法在高达2 Hz的频率下显著优于标准PID控制，表现出更优的相位响应和跟踪精度，展现出在高带宽柔性机器人应用中的强大潜力。

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.

研究动机与目标

• 解决在动态、高带宽应用中控制高度迟滞、柔顺的PMAs的挑战。
• 克服传统PID控制因PMAs固有的相位滞后和非线性特性带来的局限性。
• 开发一种实用的、通过实验识别的动态模型，能够捕捉PMAs的迟滞特性，而无需依赖难以测量的物理参数。
• 在外部负载下实现PMAs的动态、闭环控制，以适用于多段连续体机器人。
• 证明基于迟滞模型的计算转矩控制在实时、高性能跟踪中的可行性。

提出的方法

• 采用Bouc-Wen迟滞模型以捕捉PMAs的非线性、速率相关行为。
• 通过在不同压力和外部负载下对PMAs响应进行实验表征，识别模型参数。
• 将迟滞模型集成到计算转矩控制框架中，用于前馈补偿动态非线性。
• 在Simulink Realtime环境中实现控制器，内环采样频率为100 Hz，外环采样频率为20 Hz，以实现稳定的压力调节。
• 使用高分辨率线性光学编码器提供闭环控制中的实时位置反馈。
• 在相同实验条件下，将计算转矩控制器与标准关节空间PID控制器进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 Bouc-Wen迟滞模型能否准确表征PMAs在外部载荷下的动态行为？
• RQ2 基于Bouc-Wen模型的计算转矩控制与PID控制相比，在相位响应和跟踪误差方面表现如何？
• RQ3 尽管存在PMAs引起的相位滞后，该控制器在高频信号（最高达2 Hz）下的跟踪能力如何？
• RQ4 在PID控制失效的载荷条件下，该模型控制器是否仍能保持性能？
• RQ5 该控制策略是否能够实现PMAs驱动的连续体机器人在人机交互环境中的动态、闭环运行？

主要发现

• 与PID控制相比，采用Bouc-Wen迟滞模型的计算转矩控制器在相位响应方面表现更优，尤其在0.5 Hz和1.0 Hz时。
• 在1.0 Hz时，PID控制器表现出显著的相位滞后，而计算转矩控制器则保持与参考信号更好的同步。
• 计算转矩控制器仅出现约10%的超调，但能迅速校正并准确跟踪参考信号。
• 在2.0 Hz时，计算转矩控制器的相位滞后小于180°，而PID控制器则完全反相（180°滞后），表明其已完全丧失跟踪能力。
• 计算转矩控制器在2.0 Hz时仍能实现可接受的跟踪幅值和相位特性，证明其在高带宽应用中的可行性。
• 结果证实，基于模型的动态控制可显著提升PMAs在载荷下的性能，使其在动态、人机交互的柔性机器人中具备应用潜力。