Fractional order modelling of contact with the environment in flexible robot applications

Abstract

The control of flexible robots that interact with the environment presents some difficulties because the mechanical environment is unknown. In this kind of applications, force robust control rather than position control is required. The purpose of this paper is to model the mechanical impedance of the environment contacted by a flexible link based on the well-known spring-damper system typically used in the literature, considering models of both integer and fractional order. In particular, four models are identified: 1) linear regression model, 2) spring-damper model, 3) spring-damper model that also includes a spring for the robotic arm, and 4) fractional order extension of spring-damper model. Experimental results (impacts with ten different objects) are given to identify the parameters of the considered models. The goodness of the adjustment is analyzed by a set of performance indices. The results show that fractional models may have better performance in comparison with classical alternatives proposed in the literature for the objects used in this study.

El control de robots flexibles que interactúan con el entorno presenta algunas dificultades porque se desconoce el entorno mecánico. En este tipo de aplicaciones, se requiere un control robusto en lugar de un control de posición. El propósito de este trabajo es modelar la impedancia mecánica del entorno contactado por un enlace flexible basado en el conocido sistema de amortiguador de resortes que se usa típicamente en la literatura, considerando modelos de orden entero y fraccional. En particular, se identifican cuatro modelos: 1) modelo de regresión lineal, 2) modelo de amortiguador de resorte, 3) modelo de amortiguador de resorte que también incluye un resorte para el brazo robótico, y 4) extensión de orden fraccional del modelo de amortiguador de resorte. Se dan resultados experimentales (impactos con diez objetos diferentes) para identificar los parámetros de los modelos considerados. La bondad del ajuste se analiza mediante un conjunto de índices de rendimiento. Los resultados muestran que los modelos fraccionarios pueden tener un mejor rendimiento en comparación con las alternativas clásicas propuestas en la literatura para los objetos utilizados en este estudio.