A novel approach to micro-telemanipulation with soft slave robots: İntegrated design of a non-overshooting series elastic actuator

Abstract

Mikro mekanik sistemler, mikro üretim, mikro cerrahi, mikro manipülasyon gibi uygulama alanlarında daha çok kullanılmaktadır. Mikro sistemler, kompaktlığı ve hassasiyeti arttırmakla kalmamakta, ayrıca uygulamaların verimini de geliştirmektedir. Eğer bahsedilen uygulamada, robot ve çevresinin fiziksel olarak ilişkiye girmesi söz konusu ise robotun sonlandırıcı uzayındaki kuvvetin hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekmektedir.Bu çalışmada, seri elastik eyleyici kavramının (SEE) mikro manipülasyon için nasıl kullanılabileceği anlatılmaktadır. SEE'ler tümleşik bir mekatronik sistem olduğundan ötürü mekanik tasarım ve denetleyici sentezi paralel bir şekilde yürütülmelidir. Böylece SEE'den en iyi verim alınabilecektir.uSEE'nin mekanik tasarımı iki aşamada yapılmıştır: tip seçimi ve boyutsal sentez. Tip seçiminde esnek bağlantılı, kinematik yetersiz, yarı-pantograf mekanizması uSEE'nin temel kinematik yapısı olarak seçilmiştir. Boyutsal sentez aşamasında, sistemin bant genişliği, dışarıdan gelen bozucu etkileri yadsıması ve kuvvet çözünürlüğü ele alınarak eniyi başarımı verecek gürbüz yapılanışlar aranmıştır. Bu istekler, sistemin gürbüzlüğünü de göz önüne alarak, sistemin idare edilebilirliği (manipulability) ve katılığı (stiffness) eniyilenilerek başarılmaya çalışılmıştır.Mekanik tasarıma paralel olarak kuvvet denetleyicisi sentezlenmiştir. Bu kuvvet denetleyicisi kademeli bir yapıya sahiptir: iç döngüde bir pozisyon denetleyicisi, dış döngüde kuvvet denetleyici bulunmaktadır. Uygulamalar için robotun uygulayacağı fazladan kuvvet zararlı olabileceğinden ötürüreferansı aşmayan denetleyici tasarlanmıştır. Böylece her koşulda robotun kuvvet cevabı referansa eşit veya refesansın altında olmuştur.Tümleşik tasarımı yapılan uSEE sistemi 3-kanallı teleoperaston mimarisine dahil edilmiştir. Böylece, bir operatör micro manipülasyon işlemleri gerçekleştirebilecektir. Efendi ve esir robotlar arasında sabit bir ölçeklendirme kullanılmıştır ve bu teleoperatör uSEE sisteminin referansı aşmama özelliğini korumaktadır.Son olarak, tasarımı yapılan uSEE'ye dayanan mikro telemanipülasyon sistemi uygulanmış ve karakterizasyonu yapılmıştır.

Micro mechanical devices are becoming ubiquitous as they find increasing uses in applications such as micro-fabrication, micro-surgery and micro-probing. Use of micro-electromechanical systems not only offer compactness and precision, but also increases the efficiency of processes. Whenever mechanical devices are used to interact with the environment, accurate control of the forces arising at the interaction surfaces arise as an important challenge.In this work, we propose using a series elastic actuation (SEA) for micro-manipulation. Since an SEA is an integrated mechatronic device, the mechanical design and controller synthesis are handled in parallel to achieve the best overall performance.The mechanical design of the uSEA is handled in two steps: type selection and dimensional synthesis. In the type selection step, a compliant, half pantograph mechanism is chosen as the underlying kinematic structure of the coupling element. For optimal dimensioning, the bandwidth of the system, the disturbance response and the force resolution are considered to achieve good control performance with high reliability. These objectives are achieved by optimizing the manipulability and the stiffness of the mechanism along with a robustness constraint.In parallel with the mechanical design, a force controller is synthesized. The controller has a cascaded structure: an inner loop for position control and an outer loop for force control. Since excess force application can be detrimental during manipulation of fragile objects; the position controller of the inner loop is designed to be a non-overshooting controller which guarantees the force response of the system always stay lower than the reference value.This self-standing uSEA system is embedded into a 3-channel scaled teleoperation architecture so that an operator can perform micro-telemanipulation. Constant scaling between the master and the slave is implemented and the teleoperator controllers preserve the non-overshooting nature of the uSEA.Finally, the designed uSEA based micro-telemanipulation system is implemented and characterized.