Series Elastic Actuation (SEA) is a widely-used approach for interaction control, as it enables high fidelity and robust force control, improving the safety of physical human-robot interaction (pHRI). Safety is an imperative design criterion for pHRI that limits the interaction performance since there exists a fundamental trade-off between stability robustness and rendering performance. The safety of interaction necessitates the closed-loop stability of a pHRI system when coupled to a wide range of unknown operators and environments. In this study, we provide the necessary and sufficient conditions for two-port passivity of series damped elastic actuation under velocity-sourced impedance control within the frequency-domain passivity framework. Based on the newly established conditions, we derive non-conservative passivity bounds for a virtual coupler and rigorously prove the necessity of a dissipative element parallel to the series elastic component and the necessity of a virtual coupler with dissipation for the absolute stability and two-port passivity of the system. The additional dissipative elements in the physical filter and the virtual coupler enable the system to render virtual stiffness values higher than that can be rendered using a pure SEA. Our results extend earlier studies on coupled stability by presenting the necessary and sufficient conditions for all passive terminations. We validate our results through a set of physical experiments and systematic numerical simulations.


翻译:序列 Elestic Acuduation (SEA) 是广泛使用的互动控制方法,因为它能够实现高度忠诚和稳健的武力控制,提高人体-机器人物理阻力控制(pHRI)的安全性。 安全性是PHRI的迫切设计标准,它限制互动性能,因为稳定稳健和性能之间存在着根本的权衡。 互动的安全性使得PHRI系统在与一系列未知操作者和环境相伴时,必须具有闭路稳定。 在这项研究中,我们为在频率- 被动性框架范围内,在高速阻力控制下,一系列断层弹性活性活性反应的两端被动性提供了必要和充分的条件。 根据新建立的条件,我们为虚拟对交配者制定了非保守的被动性约束,并严格地证明一个与一系列弹性部分平行的分散性元素的必要性,以及一个为系统绝对稳定性和两端被动性被动性能的虚拟组合。 物理过滤器和虚拟对虚拟对等的消化元素的额外消散性元素可以在频率- 被动控制下在频率- 被动控制框架内进行更多的静切和虚拟对等的物理实验,使得我们系统能够通过一个必要的快速的结束结果成为一个必要的虚拟的虚拟的虚拟更新。

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