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Main Title: Control of pneumatic-muscle-actuator-driven joints in robotic applications
Subtitle: connecting pneumatic muscle actuators with robots via a torque control interface
Translated Title: Regelung von pneumatisch-muskel-aktuierten Gelenken in robotischen Anwendungen
Translated Subtitle: pneumatische Muskeln und Roboter mittels einer Momentenregler-Schnittstelle verbinden
Author(s): Martens, Mirco
Advisor(s): Raisch, Jörg
Boblan, Ivo
Referee(s): Raisch, Jörg
Boblan, Ivo
Seel, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/15987
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-14760
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Abstract: Many robotic systems can be improved by novel, lightweight, and elastic actuators. While smaller weight reduces the kinetic energy of the system, elasticity offers the potential to absorb and release potential energy. Thus, the safety of the robot can be increased only by the use of light and elastic actuators, so that there is less energy transmitted in the case of collisions and damages or injuries would therefore be milder. In addition, stored potential energy can be used to perform motion sequences with increased energy efficiency. One type of these actuators are pneumatic-muscle-actuator-driven joints – a combination of two pneumatic-muscle-actuators (PMAs) and a pulley –, as they provide a high torque-to-weight ratio with an adjustable stiffness. Analogously to biological muscle pairs, PMA-driven joints also yield the opportunity to change their stiffness via co-contraction and, due to this, to adapt to the demands of varying tasks. The investigation of the properties of PMA-driven joints and their integration into robotic systems form the core of this dissertation. Since PMA-driven joints consist essentially of two pneumatic muscle actuators, there is an initial chapter devoted to force modeling of pneumatic muscles in addition to the study of PMA-driven joints. It compares existing force models based on a new quality measure and introduces a new model with higher accuracy. Although there were numerous publications on robots with PMA-driven joints prior to this work, little attention has been given to their properties in general. It remains mostly unclear why a specific robot with PMA-driven joints is able to fulfill its task and how this depends on the characteristics of the chosen PMA-driven joints. Motivated by this, the present thesis provides a general discussion on the characteristics of PMA-driven joints, like their static torque range, their joint stiffness and the bandwidth of their joint torque. All results are discussed with the goal to drive a robotic system with PMA-driven joints and all essential information will be provided within this thesis. With this information at hand it will be demonstrated how to use this information to drive three different robotic systems with PMA-driven joints, successfully. Unlike most other publications on robots with PMA-driven joints, the focus of this work is less on the issue of controlling a particular robot but rather on discussing, developing and proposing a general framework for successful control of any robot with PMA-driven joints. Depending on the robot and its task, joint torques must be provided at an adequate height and speed, and only if these specifications can be met by the actuators, the robot can fulfill its task. As an interface between the robot on the one side and the actuators on the other side, a torque controller for PMA-driven joints will be developed and employed for different applications in this thesis. With this torque controller in place, the complex PMA-driven joint dynamics can be reduced to only the static torque characteristic and the bandwidth of the controller. Since these properties of PMA-driven joints are examined in detail in this dissertation, this thesis forms the necessary basis for the successful application of PMA-driven joints in robotic systems. The simplicity of integrating PMA-driven joints under torque control into robots will be demonstrated by using three different robots. Firstly, a robot with one degree of freedom is positioned with PMA-driven joints, and secondly, the same is demonstrated for a robot with two degrees of freedom. Lastly, a rehabilitation robot with a PMA-driven joint is realized which facilitates a controlled-active-motion therapy, as used after cruciate ligament rupture.
Viele Robotersysteme können durch neuartige, leichte und elastische Aktoren verbessert werden. Während ein geringeres Gewicht die kinetische Energie des Systems ver­ ringert, bietet Elastizität die Möglichkeit, potentielle Energie aufzunehmen und wieder abzugeben. Somit erhöht sich, allein durch den Einsatz leichter und elastischer Aktoren, die Sicherheit des Roboters, da im Falle einer Kollision weniger Energie übertragen wird und somit Schäden oder Verletzungen milder ausfallen. Darüber hinaus kann gespeicherte potentielle Energie dazu genutzt werden, Bewegungsabläufe mit erhöhter Energieeffizienz auszuführen. Aktoren mit variabler Elastizität und einem besonders ho­ hen Kraft-zu-Eigengewicht-Verhältnis sind pneumatisch-muskel-aktuierte (PM-aktuierte) Gelenke. Analog zu biologischen Muskelpaaren haben auch PM-aktuierte Gelenke die Möglichkeit, ihre Steifigkeit durch Kokontraktion zu ändern und sich so an die Ansprüche variierender Aufgaben anzupassen. Die Untersuchung der Eigenschaften dieser Aktoren und deren Integration in Robotersysteme bilden den Kern der vorliegenden Arbeit. Obwohl es bereits vor dieser Arbeit zahlreiche Publikationen zu Robotern mit PM-ak­ tuierten Gelenken gab, wurden deren Eigenschaften nicht ausreichend diskutiert. In dieser Dissertation wird die Diskussion über die Charakteristiken von PM-aktuierten Gelenken bereitgestellt. Im Gegensatz zu anderen Publikationen über Roboter mit PM-aktuierten Gelenken steht weniger die Frage nach der Regelung eines bestimmten Roboters im Vordergrund, sondern vielmehr die Grundlage für eine erfolgreiche Regelung eines beliebigen Roboters mit PM-aktuierten Gelenken. Je nach Roboter und dessen Aufgabe müssen Gelenkmomente in adäquater Höhe und Geschwindigkeit bereitgestellt werden, und nur falls diese Vorgaben von den Aktoren eingehalten werden können, kann der Roboter seine Aufgabe erfüllen. Die Schnittstellenkommunikation zwischen dem Roboter und den Aktoren übernimmt ein in dieser Arbeit entwickelter Momentenregler. Mit diesem Momentenregler kann das PM-aktuierte Gelenk ausschließlich anhand seiner statischen Momentencharakteristik und der Bandbreite des Reglers beschrieben werden. Da die Eigenschaften PM-aktuierter Gelenke in dieser Dissertation vordergründig unter­ sucht werden, bildet die vorliegende Arbeit die nötige Grundlage für einen erfolgreichen Einsatz PM-aktuierter Gelenke in Robotern. Die Einfachheit, PM-aktuierte Gelenke mit Momentenregler in Roboter zu integrieren, wird anhand dreier verschiedener Roboter gezeigt. Dabei werden jeweils ein Roboter mit einem Freiheitsgrad und ein Roboter mit zwei Freiheitsgraden in der Position geregelt sowie ein Rehabilitationsroboter, der die Möglichkeit bietet, eine Widerstandsmomententrajektorie beliebig vorzugeben. Da PM-aktuierte Gelenke im Wesentlichen aus zwei pneumatischen Muskelaktoren bestehen, ist neben der Untersuchung von PM-aktuierten Gelenken ein Kapitel dieser Dissertation zunächst der Kraftmodellierung pneumatischer Muskeln gewidmet. In diesem werden bestehende Kraftmodelle anhand eines neuen Gütemaßes miteinander verglichen und ein neues Model mit höherer Genauigkeit eingeführt.
Subject(s): pneumatic-muscle-actuator-driven joints
pneumatic muscle actuator
PMA
pneumatic artificial muscle
PAM
PMA-driven joint
Pneumatisch-muskelaktuierte Gelenke
Pneumatischer Muskelaktor
Künstlicher Pneumatischer Muskel
Issue Date: 2021
Date Available: 30-Dec-2021
Exam Date: 10-Nov-2021
Language Code: en
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
TU Affiliation(s): Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik » Inst. Energie- und Automatisierungstechnik » FG Regelungssysteme
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