Series Elastic Actuators-Driven 3-DOF Parallel Robot for Dynamic Human Interaction

Abstract

This paper proposes a novel parallel robot – Virtual Ground Robot (VGR) - that is driven by three Series Elastic Actuators (SEAs) to interact with a human. For developing the robot, Reaction Force-sensing Series Elastic Actuator (RFSEA) which enables accurate force control is applied as the actuator system, and the parallel structure is applied as the mechanism to generate a large force. The control algorithms are introduced for RFSEA to achieve high force performance and to render desired impedance. To guarantee the stability of the controller with the unknown environment, the passivity concept is applied and analyzed in the frequency domain. Utilizing the passivity analysis, the new Passivity Observer and Passivity Controller (POPC) is introduced to relax the passivity violation, which preserves the passivity while achieving the higher desired stiffness. All analyses developed to control RFSEA are extended to the VGR. The VGR provides a virtual ground on which a human can stand on and interact in three directions: the pitch, the roll and the height directions. Kinematics and statics of the VGR are theoretically analyzed, which validate that the VGR mechanism can achieve wide torques and impedance range compared to the existing 3-RPS mechanisms. And the Spatial POPC for VGR is designed to dissipate energy and relax the passivity violation in the work-space. The developed VGR is utilized as a device to measure and train the balance of a human

a human can stand on the VGR, and the balance-related values such as force, position, and the center of pressure are observed. The features and performance of the developed robot are theoretically examined and validated through experiments. |본 논문은 인간과 상호 작용을 위한 세 개의 직렬탄성구동기로 구동되는 새로운 병렬 로봇인 Virtual Ground Robot (VGR)을 제안한다. 로봇 개발을 위해 구동 시스템으로 정확한 힘 제어가 가능한 Reaction Force-sensing Series Elastic Actuator (RFSEA)를 적용하고, 큰 힘을 발생시키는 메커니즘으로 병렬 구조를 적용했다. RFSEA에 대한 제어 알고리즘이 도입되어 높은 힘 성능을 달성하고 원하는 임피던스를 구현한 다. 알 수 없는 환경과의 접촉에서도 컨트롤러의 안정성을 보장하기 위해 주파수 영역에서 수동성 개념을 적용하여 분석한다. 수동성 분석을 활용하여 수동성 위반을 완화하기 위해 새로운 수동성 관찰자 및 수동성 컨트롤러가 도입되어 원하는 더 높은 강성을 달성하면서 동시에 수동성을 유지하게 한다. RFSEA를 제어하기 위해 개발된 모든 분석은 VGR로 확장된다. VGR은 피치, 롤, 높이 방향의 세 가지 방향으로 사람이 서서 상호작용할 수 있는 가상의 지면환경을 제공한다. VGR의 운동학 및 정역학을 이론 적으로 분석하여 VGR의 메커니즘이 기존 3-RPS 메커니즘에 비해 넓은 토크 및 임피던스 범위를 달성할 수 있음을 검증한다. 그리고 VGR을 위한 공간상의 수동성 제어기는 작업 공간에서 에너지를 소산시키고 수동성 위반을 완화하도록 설계된다. 개발된 VGR은 인간의 균형을 측정하고 훈련하는 장치로 활용된다. 사람이 VGR 위에 설 수 있으며 힘, 위치, 압력 중심 등 균형 관련 값이 관측된다. 개발된 로봇의 기능과 성능을 이론적으로 분석하고 실험을 통해 검증한다.