Stable force control and contact transition of a single link flexible robot using a fractional-order controller

Abstract

El control de robots que interactúan con el entorno es un área abierta de investigación. Dos aplicaciones que se benefician de este estudio son: el control de la fuerza ejercida por un robot sobre un objeto, que permite al robot realizar tareas complejas como operaciones de montaje, y el control de colisiones, que permite al robot colaborar de forma segura con los humanos. El control del robot es difícil en estos casos porque: 1) aparece un rebote entre el movimiento libre y el restringido que puede causar inestabilidad, 2) se requiere cambiar entre el controlador de movimiento libre (posición) y el controlador de movimiento restringido (fuerza), siendo los instantes de conmutación difíciles de conocer y 3) el control del robot debe ser robusto ya que se desconoce la impedancia mecánica del entorno. Los robots con enlaces flexibles pueden aliviar estos inconvenientes. Investigaciones anteriores sobre robots flexibles demostraron la estabilidad de un controlador PD que retroalimentaba la posición del motor cuando entra en contacto con un entorno desconocido, pero no se logró el control de la fuerza. Este artículo propone un sistema de control que combina un controlador de posición de punta D de orden fraccionario con un control de fuerza anticipado. Alcanza una mayor estabilidad y robustez y un mayor margen de fase que un controlador PD, que es el controlador de orden entero de complejidad similar. Este controlador supera a los controladores anteriores: 1) logra control de fuerza con un error de estado estable casi nulo, 2) este control es robusto a las incertidumbres en el entorno y la fricción del motor, 3) garantiza estabilidad (como otros) pero también garantiza un valor más alto del margen de fase, es decir, una mayor amortiguación y una cancelación de vibración más eficiente, y 4) elimina eficazmente los rebotes. Los resultados experimentales demuestran la eficacia de este nuevo controlador.

The control of robots that interact with the environment is an open area of research. Two applications that benefit from this study are: the control of the force exerted by a robot on an object, which allows the robot to perform complex tasks like assembly operations, and the control of collisions, which allows the robot safely collaborate with humans. Robot control is difficult in these cases because: 1) bouncing between free and constrained motion appears that may cause instability, 2) switching between free motion (position) controller and constrained motion (force) controller is required being the switching instants difficult to know and 3) robot control must be robust since the mechanical impedance of the environment is unknown. Robots with flexible links may alleviate these drawbacks. Previous research on flexible robots proved stability of a PD controller that fed back the motor position when contacting an unknown environment, but force control was not achieved. This paper proposes a control system that combines a fractional-order D tip position controller with a feedforward force control. It attains higher stability robustness and higher phase margin than a PD controller, which is the integer-order controller of similar complexity. This controller outperforms previous controllers: 1) it achieves force control with nearly zero steady state error, 2) this control is robust to uncertainties in the environment and motor friction, 3) it guarantees stability (like others) but it also guarantees a higher value of the phase margin, i.e., a higher damping, and a more efficient vibration cancellation, and 4) it effectively removes bouncing. Experimental results prove the effectiveness of this new controller.