Parallel Coupled Micro-Macro Actuators -

121 Pages·2001·2.25 MB·English

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MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY
ARTIFICIAL INTELLIGENCE LABORATORY
A.I. Technical Report No. 1563 January, 1996
Parallel Coupled Micro-Macro Actuators
John Bryant Morrell
This publication can be retrieved by anonymous ftp to publications.ai.mit.edu.
Abstract
This thesis presents a new actuator system consisting of a micro-actuator and a macro-
actuator coupled in parallel via a compliant transmission. The system is called the Parallel
Coupled Micro-Macro Actuator, or PaCMMA.
In this system, the micro-actuator is capable of high bandwidth force control due to
its low mass and direct-drive connection to the output shaft. The compliant transmission
of the macro-actuator reduces the impedance (sti(cid:11)ness) at the output shaft and increases
the dynamic range of force. Performance improvement over single actuator systems was
expected in force control, impedance control, force distortion and reduction of transient
impact forces.
A set of quantitative measures is proposed and the actuator system is evaluated against
them: Force Control Bandwidth, Position Bandwidth, Dynamic Range, Impact Force,
Impedance (\Backdriveability"), Force Distortion and Force Performance Space.
Several theoretical performance limits are derived from the saturation limits of the
system. A control law is proposed and control system performance is compared to the
theoretical limits. A prototype testbed was built using permanenent magnet motors and
an experimental comparison was performed between this actuator concept and two single
actuator systems.
The following performance was observed: Force bandwidth of 56Hz, Torque Dynamic
Range of 800:1, Peak Torque of 1040mNm, Minimum Torque of 1.3mNm. Peak Impact
Force was reduced by an order of magnitude. Distortion at small amplitudes was reduced
substantially. Backdriven impedance was reduced by 2-3 orders of magnitude.
This actuator system shows promise for manipulator design as well as psychophysical
tests of human performance.
Copyright (cid:13)c Massachusetts Institute of Technology, 1996
This report describes research done at the Arti(cid:12)cial Intelligence Laboratory of the Massachusetts Institute
of Technology. Support for this research was provided in part by the O(cid:14)ce of Naval Research, University
Initiative Program Grant N00014-92-J-1814.
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Acknowledgments
My committee members Ken Salisbury, Gill Pratt and Warren Seering provided direction,
support and technical insight. Thanks to Ken who invited me into the Arti(cid:12)cial Intelli-
gence Laboratory when I (cid:12)rst arrived at MIT. Over the years, Ken provided a comfortable
environment with outstanding resources both in hardware and personnel. Gill Pratt made
a huge contribution to this thesis in both his technical expertise when I got stuck and his
enthusiasm for my topic. Warren Seering (and Woodie Flowers) provided me with an out-
standing experience as a teaching assistant in 2.73. This experience rea(cid:14)rmed my desire
to both a creator of things mechanical and a teacher of engineering.
The \JKS-FOLKS" research group (Brian Eberman, Gunter Niemeyer, Tom Moyer,
Cathy Anderson, Akhil Madhani, Matt Williamson, Suzanna Leveroni, Brian Anthony,
Craig Latimer, and Vinay Shah) and o(cid:14)cemate Tom Stahovich provided a great group of
peers for both research and social occasions. Whether mountain biking, skiing, doing car
work, or just retiring a pint at Happy Hour, the quality of the people I interacted with
made my experience here a good one.
TheAIlaboratoryis(cid:12)lled withpeople whomakegraduateresearchpossible. Inaddition
to the faculty, Jacqui Taylor, Ron Wiken and Laurel Simmons provided countless hours of
help in various capacities. Leslie Regan in the Mechanical Engineering Graduate o(cid:14)ce
serves as the patron saint of overdue Ph.D. students. I thank her for her constant cheer
and support.
The MIT Cycling Team will always be a special group for me. So many outstanding
friends emerged from this group: Tom Moyer, Jim Preisig, Paul Stek, Paul Nealey, Liz
Bradley, Karon Maclean, Abe Stroock, and my wife, Kjirste. I thank them for their enthu-
siasm, their own victories and defeats, and for their constant encouragement and support
of my athletic and intellectual pursuits.
I thank my parents, Ann and Linwood, and my siblings, Kristin, Annie, and Will for
their encouragement in this long endeavor.
Finally, I would like to thank my wife, Kjirste, for her constant support (and most
recently her careful proofreading). Her faith in me renewed my energy to (cid:12)nish and I
consider our meeting to be the most wonderful event of my 6 years at MIT.
This work was supported in part by the O(cid:14)ce of Naval Research, University Initiative
Program Grant N00014-92-J-1814.
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Contents
1 Introduction 13
1.1 Understanding Actuator Performance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15
1.2 Background : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 16
1.2.1 Robot Design Issues : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 16
1.2.2 Control Algorithms : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 19
1.3 Discussion : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 20
2 The Parallel Coupled Micro-Macro Actuator 23
3 Actuator Systems And Performance Metrics 27
3.1 Properties of the Actuators and Sensors : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 27
3.1.1 Quasi-static Properties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 27
3.1.2 Dynamic Properties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28
3.2 Properties of the Controlled System : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
3.2.1 Quasi-static Properties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
3.2.2 Dynamic Properties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
4 System Model and Performance Limits 37
4.1 Actuator Model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 37
4.2 Frequency Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 39
4.3 Position Control Performance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 42
4.4 Force Control Performance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43
4.5 Impedance Performance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44
4.6 Force Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 46
4.7 Impacts : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 48
4.8 Causal Control : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52
4.9 Consideration of Nonlinearities : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52
4.9.1 Stiction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52
4.9.2 Velocity Saturation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52
4.9.3 Position Saturation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53
4.9.4 Backlash: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53
4.9.5 Transmission Dynamics : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53
4.10 Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53
5 Control System 55
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6 CONTENTS
5.1 Control Issues : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55
5.2 PaCMMA Control Strategy : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 57
5.3 Macro-actuator Control : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 58
5.4 Micro-Actuator Control : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 59
5.5 PaCMMA Force Control Law : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60
5.6 Control of the PaCMMA Impedance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62
5.7 Gain Tuning : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 63
5.8 Simulated Control Law Performance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 64
5.8.1 Simulated Force Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 64
5.8.2 Simulated Position Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 66
5.9 Implementation Issues : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 68
5.9.1 Feedforward Model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 68
5.9.2 Force Sensing : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 68
5.9.3 Peak Force : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 69
6 Design Guidelines 71
6.1 Component Considerations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 71
6.1.1 Sensors : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 71
6.1.2 Micro-actuator Selection : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 72
6.1.3 Transmission Selection : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 72
6.1.4 Macro-actuator Selection : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 74
6.2 Design Procedure : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 75
6.3 Force Control Performance Space : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 77
6.4 Extension to N-Actuators : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 79
6.5 Integration into Existing Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 79
6.6 Nonlinear Transmissions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 80
7 Experimental Results 81
7.1 Prototype : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 81
7.2 Performance Data : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 82
7.2.1 Force Control Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 85
7.2.2 Force Fidelity : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 89
7.2.3 Force Performance Space : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 91
7.2.4 Impedance Response Bandwidth : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 93
7.2.5 Position Control Experiments : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 95
7.2.6 Impact Experiments : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 98
7.2.7 Control of PaCMMA Impedance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 100
7.2.8 Dynamic Range and Force Precision : : : : : : : : : : : : : : : : : : 104
8 Conclusions 105
8.1 Contributions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 105
8.2 Thesis Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 105
8.3 Further Work : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 106
8.4 Applications : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 107
A Prototype Speci(cid:12)cations 109
CONTENTS 7
A.1 Design example : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 110
B Simulation Parameters 113
8 CONTENTS
List of Figures
2-1 The Parallel Micro-Macro Actuator Concept: : : : : : : : : : : : : : : : : : 23
2-2 Alternative PaCMMA Con(cid:12)guration : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25
3-1 Force Control Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30
3-2 Impedance Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32
3-3 Distortion Example : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33
3-4 Force Control Performance Space : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34
3-5 Impedance Performance Space : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34
4-1 Parallel Coupled Micro-Macro Actuator Model : : : : : : : : : : : : : : : : 37
4-2 Frequency Response in free space : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40
4-3 Frequency Response with a soft environment : : : : : : : : : : : : : : : : : 41
4-4 Frequency Response with a sti(cid:11) environment : : : : : : : : : : : : : : : : : 41
4-5 Maximum Position Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43
4-6 Maximum Force vs. Frequency : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 45
4-7 Minimum Impedance vs. Frequency : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 46
4-8 Control strategy for a step change in force : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 47
4-9 System Step Response - Perfect Control : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 48
4-10 Impact - Perfect Control : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 49
5-1 Control Strategy : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 56
5-2 Forces Acting on the Endpoint : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 57
5-3 Frequency Response of an electric motor and a force sensor : : : : : : : : : 59
5-4 Control Law : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 61
5-5 Lumped Element Model of PaCMMA : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 61
5-6 Impedance Control Architecture : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 63
5-7 Simulated Force Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 65
5-8 Simulated Force Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 65
5-9 Simulated Position Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 66
5-10 Simulated Position Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 67
5-11 Simulated Position Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 67
6-1 Force Control Bandwidth for Varied Transmission Sti(cid:11)ness : : : : : : : : : 73
6-2 Passive Impedance for Varied Transmission Sti(cid:11)ness : : : : : : : : : : : : : 74
6-3 Performance Space for the micro and macro-actuators : : : : : : : : : : : : 77
6-4 Force Control Performance Space for PaCMMA System : : : : : : : : : : : 78
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10 LIST OF FIGURES
6-5 N-Actuator Concept : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 79
7-1 PaCMMA Prototype : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 82
7-2 Small Signal Force Control Bandwidth : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 85
7-3 Large Signal Force Control Bandwidth : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 86
7-4 Force Control Response { Theory vs. Experimental : : : : : : : : : : : : : : 87
7-5 Step Response - Large : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 88
7-6 Step Response - Small : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 88
7-7 Distortion - Small Signal : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 89
7-8 Distortion - Large Signal : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 90
7-9 Force Performance Space for Macro and Micro Actuators : : : : : : : : : : 91
7-10 Force Performance Space for PaCMMA1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 92
7-11 Impedance Response - Small Amplitude : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 93
7-12 Impedance Response - Large Amplitude : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 94
7-13 Large Signal Position Bandwidth : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 95
7-14 Small Signal Position Bandwidth : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 96
7-15 Large Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 97
7-16 Small Step Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 97
7-17 Impact Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 98
7-18 Impact Response : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 99
7-19 Programmed Impedance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 100
7-20 Programmed Impedance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 101
7-21 Programmed Impedance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 101
7-22 Programmed Impedance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 102
7-23 Programmed Impedance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 102
7-24 Programmed Impedance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 103
A-1 Micro Actuator Transfer function : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 111
A-2 Micro Actuator and Controller : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 112
B-1 Augmented Model for Simulation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 114