Development and non-linear control of a novel rotary series elastic actuator

Abstract

RSEA (rotary series elastic actuator) is one of the fundamental problems in the control theory field. To verify the modern control theory, RSEA may be considered as a better example in control engineering. The RSEA is a highly non-linear and open-loop unstable system that makes the control more challenging. It is an intriguing subject from the control point of view due to its intrinsic nonlinearity. The RSEA include a nonlinearity due to the frictions in the joints. Common control approaches require a good knowledge of the frictions in the joints of the system and accurate friction estimation to obtain the desired performances of feedback controllers. However, the frictions have high non-linear values, which result in steady-state errors, limit cycles, and poor performance of the system. It has an influence on the system's response, and it should be considered seriously. Therefore, friction estimation has the potential to ameliorate the quality and dynamic behavior of the system. For humanoid/memetic robots, modeling and accurate torque trajectory control of a rotary series elastic actuator (RSEA) is of great importance. In this study, the fuzzy logic torque controller with nonlinear friction compensation (NLFC) is used to improve the deteriorating trajectory tracking performance caused by these nonlinear elements in RSEA systems. In order to demonstrate the power efficiency and performance of the proposed control system, several experiments have been performed on the experimental setup, including a torque motor with worm gear and torsional flat-double spiral spring (TFDSS). The proposed novel RSEA is designed and tested using different controllers, including PID feedforward controller (PID-FFC), fuzzy logic feedforward controller (FL-FFC), and fuzzy torque controller with friction compensation (FTC-FC). A comparative study among controllers is conducted to show the robustness of FTC-FC against a step and ramp-type disturbances. The simulation and experimental results here strongly confirm that the proposed control method produces better control performance. Another aim of this thesis is to develop non-linear controllers for the impedance control problems. In this paper, a new fuzzy adaptive fractional hybrid Impedance (FAFHI) control approach is developed for high-sensitive contact stress force tracking control of the rotary series elastic actuators (RSEAs) in rugged terrains. The aim of this study is to obtain an adaptive hybrid impedance control model (AHICM) which depends on both position and torque in a large range of motion trajectory that involves difficult and sudden large changes. In three different cases, the fractional parameters of the FAFHI control were optimized with the particle swarm optimization algorithm (PSO). Its adaptability to the pressure of the sole of the foot on real environments such as grass (soft), carpet (medium), and solid floors (hard) is far superior to traditional impedance control. Hence, the torque error triggered by the time-varying stiffness environment can be compensated by using our fuzzy adaptive algorithm. Simulations are tested on an RSEA, in order to verify the torque control accuracy as well as its robustness in terms of a time-varying stiffness environment. Both the simulation and the experiment show that our proposed control scheme has a better performance on maintaining the desired contact force than hybrid impedance (HI) control and fractional hybrid impedance (FHI) control.

RSEA (döner seri elastik aktüatör), kontrol teorisi alanındaki temel problemlerden biridir. Modern kontrol teorisinde doğrulama yöntemi olarak kullanılabilecek iyi bir sistem örneği olarak düşünülebilir. RSEA, kontrolü daha zor hale getiren, doğrusal olmayan ve açık döngü kararsız bir sistemdir. Doğrusal olmaması nedeniyle kontrol teorisi açısından ilgi çekici bir konudur. RSEA, eklemlerdeki sürtünmelerden kaynaklanan doğrusal olmama durumunu içermektedir. Genel kontrol yaklaşımları, geri besleme kontrolörlerinin istenen performanslarını elde etmek için sistemin bağlantı noktalarındaki sürtünmeler hakkında bilgi ve doğru sürtünme tahmini gerektirmektedir. Bununla birlikte, sürtünmeler yüksek doğrusal olmayan değerlere sahiptir, bu da kararlı durum hatalarına, limit döngülere ve sistemin zayıf performansına neden olmaktadır. Bu nedenle sürtünme tahmini, sistemin kalitesini ve dinamik davranışını iyileştirme potansiyeline sahiptir. İnsansı/memetik robotlar için, döner seri elastik aktüatörün (RSEA) modellenmesi ve doğru tork yörünge kontrolü büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, RSEA sistemlerinde bu doğrusal olmayan elemanların neden olduğu bozulan yörünge izleme performansını iyileştirmek için doğrusal olmayan sürtünme kompanzasyonuna (NLFC) sahip bulanık mantık tork kontrolörü kullanılmıştır. Önerilen kontrol sisteminin güç verimliliğini ve performansını göstermek için, deney düzeneği üzerinde sonsuz dişli ve burulma düz-çift spiral yaylı (TFDSS) bir tork motoru da dahil olmak üzere çeşitli deneyler yapılmıştır. Önerilen yeni RSEA, PID ileri beslemeli kontrolör (PID-FFC), bulanık mantık ileri beslemeli kontrolör (FL-FFC) ve sürtünme dengelemeli bulanık tork kontrolörü (FTC-FC) dahil olmak üzere farklı kontrolörler kullanılarak tasarlanmış ve test edilmiştir. FTC-FC'nin adım ve rampa tipi bozulmalara karşı sağlamlığını göstermek için kontrolörler arasında karşılaştırmalı bir çalışma yapılmıştır. Buradaki simülasyon ve deneysel sonuçlar, önerilen kontrol yönteminin daha iyi kontrol performansı ürettiğini kuvvetle doğrulamaktadır. Bu tezin bir diğer amacı, empedans kontrol problemleri için doğrusal olmayan kontrolör geliştirmektir. Bu yazıda, engebeli arazilerde döner seri elastik aktüatörlerin (RSEA'lar) yüksek hassasiyetli temas stres kuvveti izleme kontrolü için yeni bir bulanık uyarlamalı kesirli hibrit empedans (FAFHI) kontrol yaklaşımı geliştirilmiştir. Bu çalışmanın amacı, zor ve ani büyük değişimler içeren geniş bir hareket yörüngesinde hem pozisyona hem de torka bağlı olan adaptif bir hibrit empedans kontrol modeli (AHICM) elde etmektir. Üç farklı durumda, FAFHI kontrolünün kesirli parametreleri parçacık sürüsü optimizasyon algoritması (PSO) ile optimize edilmiştir. Yumuşak (çim), orta (halı) ve sert zemine sahip gerçek ortamlarda ayak tabanının basıncına uyarlanabilirliği, geleneksel empedans kontrolünden çok daha üstündür. Bu nedenle, zamanla değişen sertlik ortamı tarafından tetiklenen tork hatası, bulanık uyarlamalı algoritmamız kullanılarak telafi edilebilmektedir. Simülasyon sonuçları, zamanla değişen bir sertlik ortamı açısından tork kontrol doğruluğunu ve sağlamlığını doğrulamak için bir RSEA üzerinde test edilmiştir. Hem simülasyon hem de gerçek zamanlı deney sonuçları, önerilen kontrol şemasının, istenen temas kuvvetini koruma konusunda hibrit empedans (HI) kontrolü ve kesirli hibrit empedans (FHI) kontrolüne göre daha iyi bir performansa sahip olduğunu göstermektedir.