Seri-Elastik-Eyleyicili Bir Ameliyat Robotunun Kontrolcü Tasarımı

Abstract

Mekanik esneklik özelliği sayesinde darbeye karşı dayanımı arttırabilen, enerjinin güvenli bir biçimde depolanıp salınmasına imkan tanıyan, stabil kuvvet kontrolünü destekleyen ve çevresel zararı düşüren seri elastik eyleyiciler, insan-robot etkileşimi uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Fakat onu kendiliğinden güvenli kılan bu özellikleri aynı zamanda bazı durumlarda çevre için bir riske de dönüştürebilir. Özellikle, ani temas kaybı elastik elemanda depolanan enerjinin serbest kalmasına ve serbest salınımların uyarılmasına yol açabilir. Bu tezde hedef, temas kaybından dolayı oluşan salınımların hızla sönümlenmesi ve sistemin temas kaybından önceki konumuna tekrar edilebilir bir biçimde geri getirilmesidir. Bu amaçla, viskoz sürtünmeli, iki ataletli spiral yaylı model tek serbestlik dereceli bir deney düzeneğinde kurulmuş ve konum hatasına integral etkisi eklenmiş bir Doğrusal Kuadratik Düzenleyici denetleyiciyle kontrol edilmiştir. Temas kaybı senaryosu bir servo fren ile simüle edilmiştir. Deneyler ve simülasyonlar denetleyicinin performansını doğrulamaktadır. Simülasyonlar Doğrusal Kuadratik Düzenleyici ağırlık matris seçimindeki avantajları ve dezavantajları göstermekte, kurulan deney düzeneğinde farklı başlangıç yay sapmalarında gerçekleştirilen ani temas kaybı deneyleri ise önerilen denetleyicinin performansını karşılaştırmalı olarak incelemektedir. Sonuçlar model tabanlı bir denetleyicinin temas kaybı sonrasında tekrarlanabilir bir biçimde salınımları sönümleyip sistemi eski pozisyonuna geri götürebildiğini göstermektedir.

Series elastic actuators are widely used in human-robot interaction because their intrinsic compliance improves shock tolerance, enables safe energy storage and release, supports stable force control, and reduces environmental damage. However, the same property that makes the system inherently safe can also be the cause of damage to the environment. More specifically, sudden loss of contact can release stored energy in the elastic element and excite free oscillations. This thesis addresses post contact loss stabilization problem, quickly dissipating oscillations and returning the system to its pre contact-loss position in a safe manner. In this regard, a two-inertia torsional spring model with viscous friction is implemented on a single degree of freedom test rig and controlled by a Linear Quadratic Regulator controller with integral action on the position error. Contact loss is simulated by a servo brake. Hardware experiments and simulations validate the performance of the controller. Simulations show the trade-offs in Linear Quadratic Regulator weighting and the performance of the controller in damping and re-positioning. On the setup rig, sudden releases against the proposed controller across a range of initial deflections are compared. Taken together, the results show that a model-based controller can provide repeatable post contact loss behaviour.