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Physical Human-Robot Interaction with a Lightweight, Elastic Tendon Driven Robotic Arm

Lens, Thomas :
Physical Human-Robot Interaction with a Lightweight, Elastic Tendon Driven Robotic Arm.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Physical Human-Robot Interaction with a Lightweight, Elastic Tendon Driven Robotic Arm
Language: English
Abstract:

Humans have since long desired to be assisted by robotic systems in productive and home environments. To fulfill this need, efforts are made to increase the cognitive abilities that robots lack to autonomously interpret their environment and human intentions. But equally important, new hardware and actuation designs are required to increase the safety and sensitivity of robots that operate in the vicinity of humans.

A main restriction of most current robot arm designs for physical human-robot interaction (pHRI) is the discrepancy of safety and dynamic performance in terms of, for instance, velocity and payload. This thesis therefore deals with the challenges involved in the development of fast robot arms that are safe for the operation in human-centered environments and for applications requiring close pHRI. It presents design guidelines for lightweight robot arms with elastic tendon actuation and, additionally, suitable methods for dynamic modeling and control and safety evaluation. This novel type of robotic arm aims at enabling automation of applications that combine critically high safety requirements for pHRI with high performance and flexibility demands. The BioRob-X4 robot arm is used as a robotic hardware platform for evaluation of the developed models and methods, which are tested in simulation and validated on the robot hardware.

In contrast to other robot arm designs, the actuation principle of the BioRob arm is non-modular in order to enable an extreme lightweight and low-inertia design with high safety and acceleration properties. The use of tendons spanning multiple joints, however, introduces kinematic coupling and the use of extension coil springs to maintain tendon tension and to decouple link and rotor inertia introduces undesirable joint oscillations. These effects have to be modeled accurately to investigate the behavior of the actuators and the whole arm dynamics in theory, simulation, and experiment and to allow for the development and design of model-based algorithms. Therefore, detailed mathematical models for the highly compliant and kinematically coupled tendon actuators and the low inertia link structure are developed and validated against experimentally measured data. The actuation models are analyzed with respect to highly dynamic motions inherent to low inertia link designs. Associated effects such as dynamic and static tendon slackening are discussed and from these considerations, guidelines for shaping the actuator characteristic output curves are derived.

State space partitioning of the manipulator is proposed for the formulation of the full robot arm dynamics model. By partitioning the model into three state spaces, the dynamics model of the robot arm can be formulated in joint space by reflecting the model states and parameters to the joint space. The presented approach is generally applicable to tendon-driven robotic arms and, furthermore, helpful in reducing the modeling complexity.

The design and hardware constraints of the investigated robot arm demand for the development of specific calibration and filter methods for the joint position and velocity states. Thus, a joint position sensor calibration method and a multilevel switching observer are developed that are both in general applicable to robotic arms with high joint elasticity. Based on the inverse dynamics model and the decoupling of tendon actuators spanning multiple joints we derive a position tracking controller by using the developed state space model segmentation. The proposed observer and control methods are evaluated in simulation and on the robot hardware.

A new prediction method for maximum collision and clamping forces based on the current dynamic state of the manipulator and its compliant actuators by monitoring also the potential energy stored in the springs is developed and applied successfully. A worst case safety evaluation considering the possibility of software and hardware failures is performed. In this context, the impact behavior of the elastic tendon actuators is compared to robot arms with backdrivable motors that are either stiffly or elastically coupled to the link and either coupled by tendon to the joint or placed directly in the joint.

The theoretical and experimental results presented in this thesis demonstrate the feasibility of constructing fast robotic arms with very high safety properties that are suitable for pHRI and operation in close and direct vicinity of humans. The developed detailed multibody dynamics models are applicable to lightweight manipulator arms with stiff kinematic link chains that are driven by highly elastic tendon actuators.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Sowohl am Arbeitsplatz als auch im Haushalt besteht seit längerem seitens des Mensch der Wunsch, von Robotersystemen unterstützt zu werden. Um diesen Anforderung zu erfüllen, gibt es Bemühungen zur Steigerung der kognitiven Fähigkeiten, die Robotern momentan noch fehlt, um autonom ihre Umgebung und die Absichten des Menschen zu interpretieren. Gleichermaßen wichtig ist aber die Entwicklung von neuartigen Hardware- und Aktuierungskonzepten, die die Sicherheit und Feinfühligkeit von Robotern, die in der direkten Umgebung des Menschen agieren, steigern. Eine Haupteinschränkung aktueller Roboterarmkonstruktionen für die physische Mensch-Roboter-Interaktion (pMRI) stellt die Diskrepanz von Sicherheit und dynamischer Performanz, beispielsweise in Bezug auf Geschwindigkeit und Traglast, dar. Die vorliegende Arbeit setzt sich daher mit den Herausforderungen auseinander, die die Entwicklung von schnellen und sicheren Roboterarmen für den Einsatz in menschlichen Umgebungen und für Anwendungen mit großem Fokus auf pMRI umfassen. Sie stellt Entwurfsrichtlinien für leichtgewichtige Roboterarme mit elastischer Seilzugaktuierung und zusätzlich geeignete Methoden für die dynamische Modellierung und Regelung und die Sicherheitsanalyse solcher Systeme vor. Das Ziel dieses neuen Roboterarmtyps besteht darin, die Automatisierung von Anwendungen zu ermöglichen, die kritisch hohe Sicherheitsanforderungen für pMRI mit hohen Performanz- und Flexibilitätsanforderungen kombinieren. Als Roboterhardwareplattform für die Evaluierung der entwickelten Modelle und Methoden, die in Simulation getestet und auf der Roboterhardware validiert werden, wird der BioRob-X4 Roboterarm verwendet. Im Vergleich zu anderen Roboterarmkonstruktionen ist das Antriebsprinzip des BioRob-Arms nicht modular, um ein extrem leichtgewichtige Konstruktion mit geringer Trägheit und hohen Sicherheits- und Beschleunigungseigenschaften zu ermöglichen. Der Gebrauch von mehreren Gelenken umspannenden Seilen jedoch führt zu kinematischer Verkopplung und der Gebrauch von Schraubenzugfedern, um eine Seilvorspannung aufrechtzuerhalten und die Rotorträgheiten von den Robotergliedern zu entkoppeln, führt zu unerwünschten Gelenkoszillationen. Diese Effekte müssen präzise modelliert werden, um das Verhalten dieser Aktuatoren und der vollständigen Roboterarmdynamik in Theorie, Simulation und Experiment zu untersuchen und den Entwurf und die Entwicklung modellbasierter Algorithmen zu ermöglichen. Daher werden in dieser Arbeit detaillierte mathematische Modelle für die hoch nachgiebigen und kinematisch verkoppelten Seilzugaktuatoren und die kinematische Gliederkette mit geringer Trägheit entwickelt und anhand experimenteller Messdaten validiert. Die Antriebsmodelle werden hinsichtlich hoch dynamischer Bewegungen, die bei kinematischen Gliederketten mit niedriger Trägheit auch mit leistungsschwachen Antrieben vorkommen, analysiert. Hierbei werden assoziierte Effekte wie dynamische und statische Seillockerung diskutiert und, basierend auf diesen Überlegungen, werden Entwurfsrichtlinien für das Formen der charakteristischen Aktuatorkurven hergeleitet. Für die Formulierung des vollständigen Roboterarmdynamikmodells wird eine Zustandsraumpartitionierung des Robotarms vorgeschlagen. Durch die Partitionierung des Modells in drei Zustandsräume kann das Roboterarmdynamikmodell anhand reflektierter Modellzustände und -parameter im Gelenkraum formuliert werden. Das vorgestellte Verfahren ist im Allgemeinen auf durch Seilzug aktuierte Roboterarme anwendbar und erweist sich zudem als hilfreich, um die Modellkomplexität zu reduzieren. Die Design- und Hardwareanforderungen des untersuchten Roboterarms erfordern die Entwicklung spezifischer Kalibrierungs- und Filtermethoden für die Zustände der Gelenkwinkel und -geschwindigkeiten. Daher werden eine Kalibrierungsmethode für die Gelenkwinkelpositionssensoren und ein mehrstufig schaltender Beobachter, die beide im Allgemeinen auf Roboterarme mit hoher Gelenkelastizität anwendbar sind, entwickelt. Basierend auf dem Inversdynamikmodell und der Entkoppelung der mehrere Gelenke umspannenden Seilzugaktuatoren leiten wir anhand der entwickelten Zustandsraummodellsegmentierung einen Positionsfolgeregler her. Anhand des aktuellen Dynamikzustands des Roboterarms und der nachgiebigen Aktuatoren und der zusätzlichen Überwachung der in den Federn gespeicherten potentiellen Energie wird eine neue Prognosemethode für maximal auftretende Kollisions- und Einklemmkräfte entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Es wird eine Worst-Case-Sicherheitsanalyse, die die Möglichkeit von Software- und Hardwareausfällen berücksichtigt, durchgeführt. In diesem Zusammenhang wird das Aufprallverhalten des von elastischen Seilzugaktuatoren angetriebenen Roboterarms verglichen mit dem Kollisionsverhalten von Roboterarmen mit nicht selbsthemmenden Motoren, die entweder steif oder elastisch an das Robotergelenk gekoppelt sind und entweder über Seilzüge mit dem Gelenk verbunden oder direkt im Gelenk platziert sind, verglichen. Die in dieser Arbeit vorgestellten theoretischen und experimentellen Ergebnisse belegen die Machbarkeit, schnelle Roboterarme mit sehr hohen Sicherheitseigenschaften zu konstruieren, die für pMRI und den Einsatz in direkter Umgebung des Menschen geeignet sind. Die entwickelten detaillierten Mehrkörperdynamikmodelle und die daraus abgeleiteten Methoden sind anwendbar auf leichtgewichtige Roboterarme mit steifen kinematischen Gliedketten, die durch hochelastische Seilzugaktuatoren angetrieben werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: physical human-robot interaction, compliant tendon actuation, dynamic modeling and control, safe robot arm design, safety evaluation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
physische Mensch-Roboter-Interaktion, nachgiebige Seilzugaktuierung, dynamische Modellierung und Regelung, sicheres Roboterarmdesign, SicherheitsevaluierungGerman
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Simulation, Systems Optimization and Robotics Group
Date Deposited: 04 Jul 2013 12:09
Last Modified: 04 Jul 2013 12:09
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-34934
Referees: von Stryk, Prof. Dr. Oskar
Refereed: 4 July 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3493
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