Rendering of Arbitrary and Stable Stiffness Using a Series Elastic Actuator

摘要

　　對於會與人或環境交互作用的機器人而言，良好的人機親和性及人機互動安全性兩者為首要目標，因此機器人如何擁有精準而穩定的勁度控制為一重要課題。為實踐精準的勁度控制，應用於串聯彈性致動器的阻抗控制與導納控制應運而生，與一般常見之剛性致動器不同，串聯彈性致動器為由一馬達與彈簧串聯組成，藉由量測彈簧之變形量以量測力量，藉此方式達成比剛性致動器更精確的力量控制，進而實踐精準的勁度控制以提供虛擬勁度。 　　在人機互動的過程中，環境的不確定性除會影響系統之表現外，其亦會影響系統的耦合穩定性，然而人機互動的安全性比精準的勁度控制更為重要，現今已有?多研究顯示在任意環境下皆能保持穩定的前提下，串聯彈性致動器所能呈現之虛擬勁度在很大程度上受限於其彈簧勁度。為提高串聯彈性致動器所呈現之穩定的虛擬勁度，可藉由增加彈簧勁度以達成此目標，但是相對的其勁度控制之精度便會有所犧牲，而透過添加虛擬阻尼亦可提高其穩定性，但是穩定性範圍在很大程度上仍取決於環境參數。 　　為確切了解環境參數對系統穩定性之影響並克服上述限制，本文首先於考慮環境之情況下建立串聯彈性致動器之模型，接著基於一般的阻抗控制與導納控制，提出一新穎的控制策略，阻抗和導納控制都將基於這種新的控制策略進行修改為混合型阻抗控制與混合型導納控制。由修改後的控制器穩定性分析可知混合型阻抗控制與混合型導納控制的虛擬勁度可以任意選擇，且與串聯彈性致動器本身之彈簧勁度和環境參數無關，因此透過此兩控制方法可使得串聯彈性致動器呈現大範圍且精準的虛擬勁度。此外本文亦以串聯彈性致動器設計一雙軸機器人使其具有良好的力量感測與控制性能，其除可自行運作外，亦可安裝於機械手臂末端以發展其他應用。

獎項日期	2020
原文	English
監督員	Chao-Chieh Lan (Supervisor)