• Tidak ada hasil yang ditemukan

Planar Task Space Control of a Biarticular Manipulator Driven by Spiral Motors.

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2017

Membagikan "Planar Task Space Control of a Biarticular Manipulator Driven by Spiral Motors."

Copied!
14
0
0

Teks penuh

(1)

International Journal of Advanced Robotic Systems

Planar Task Space Control of a Biarticular

Manipulator Driven by Spiral Motors

Regular Paper

Ahmad Zaki bin Hj Shukor

1

and Yasutaka Fujimoto

1,*  

1 Department of Electrical and Computer Engineering, Yokohama National University * Corresponding author E-mail: [email protected]

 

Received 30 May 2012; Accepted 20 Jul 2012 DOI: 10.5772/51742

© 2012 Shukor and Fujimoto; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use,

distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract This paper elaborates upon a musculoskeletal‐

inspired robot manipulator using a prototype of the spiral 

motor developed in our laboratory. The spiral motors 

represent  the  antagonistic  muscles  due  to  the  high 

forward/backward  drivability  without  any  gears  or 

mechanisms. Modelling of the biarticular structure with 

spiral motor dynamics was presented and simulations 

were  carried  out  to  compare  two  control  methods, 

Inverse  Kinematics  (IK)  and  direct‐Cartesian  control, 

between monoarticular only structures and biarticular 

structures using the spiral motor. The results show the 

feasibility of the control, especially in maintaining air 

gaps within the spiral motor.   

Keywords  biarticular  manipulator,  inverse  kinematics 

control, work space control, spiral motor, musculoskeletal 

 

1. Introduction  

 

Over recent decades robots have been inspired by the 

motion of living things, i.e., humans and animals [1] [2]. 

Various structures of robots have been designed, from 

industrial robotic manipulators to humanoids and mobile 

legged  robots  for  different  purposes.  Success  stories 

include  ASIMO,  DLR,  Big  Dog  and  many  others. 

However, most designs are implemented by using serial 

joint servos at the end of each limb, resulting in large joint 

actuators  at  the  base  to  support  the  desired  large 

forces/torques (i.e., end‐effector output, friction). In the 

end,  the weight  and size  of  the actuators  contribute 

largely  to  the  overall  specication  of  the  robot.  In 

addition, difficulties in actuation, for example, backlash 

and low drivability/low compliance, add to problems in 

controlling such structures.   

On the other hand, the anatomy of the musculoskeletal 

human body provides new insights into the design of 

robots.  By  looking  closely  at  the  structure  of  the 

human/animal musculoskeleton, the joint/hinges are not 

directly  actuated,  but  affected  by  the  antagonistic 

contraction or extension of the muscles connected to the 

bones. The muscles can be clustered into monoarticulars 

(single  joint  articulated)  and  biarticulars  (two  joint 

actuated).  The  dynamic  domain  of  the  human  arm 

muscles (from shoulder to elbow) have been studied in 

[3] [4] [5]. The study in [3] applies the Hill’s muscle model 

and attempted to analyse different damping and elastic 

properties,  and  later  applied  task  position  feedback 

control to monitor position, velocity and accelerations in 

(2)

joint  and  t positioning,  forces are aff motion. By  movements w optimal traje  

Some design can be referr motors, belts torques.  In feedforward  of  the  ver mechanisms  sigmoid/swim motor  con biarticular/tr maintained a different des motors are p pulled by wi resolve  forc musculoskele These structu actuators, po muscle. Thes the amount o actuators ena as the actuat Jumping  an implemented structures ar Also,  pneum inaccurate du A combinatio  

The  actuato actuation is t force actuato the  rst prot developed a magnet proto  

2. Biarticular   

An example  found in the  of  monoarti biarticular  m using the spi extensor can  thus reducin to the elbow combined   manipulator  Figure 1.  

taskspace.  O the potential  fected and als

means of sim were achieved ctory derivati

ns that includ ed to in [6] an s and pulleys n  [6],  stiffn

control was  rtebrae)  has  to  realiz mming motio ntrol.  Thes iarticular actu as serial or o sign was show placed at the  ires. Feedforw ce  redundanc etal mechanis ures utilize th ossibly the cl se muscles ext of air pressure ables the desig ors are placed nd  hopping  d, but because

re less mobil matic  muscles ue to their non on of pneuma

or  that  we  the spiral mot or with high  totype, the in and currently 

otype is availa

Manipulator K

of the biarti human arm,  icular  (muscl muscles  (mus iral motor, the

be combined  ng the number w to only thre exor/extenso

of  the  biart

On  the  varia elds produc so the speed  mulation, the 

d without inv on. 

de biarticular  nd [7]. These d

s to realize b ness  and  in applied. The 

inspired  [7 ze  a  vir on with the  se  designs 

uation, but t pen‐link mec wn in [8], wh

base and th ward control w

cy.  Other  de ms can be fou he pneumatic r losest candida tend or contra e supplied. Th gn of the legs  d closely or at motions  w e of the use of le for autono s  are  difficul nlinear elastici tics/cables is a

propose  for tor [14]. It is a forward/back nternal perma the helical s able [15].  

Kinematics 

icular muscle consisting of  les  affecting  scles  affecting e antagonistic  by using only r of actuators 

e actuators, in or  muscles 

ticular  struct

ation  of  mu ced by the inte of convergenc human reac verse dynamic

muscle actua designs use ro biarticular mu nverse  dyna

lancelet (ance 7]  using  sim

tual  triartic properties of

include  the structures

hanisms. Ano hereby the ro e joint angles was also applie esigns  of  leg und in [9] [10] 

rubber muscle ate to the hu

act, dependin he small size o to be space sa tached to the  were  success f air supply, t omous operat lt  to  control  ity properties  also shown in 

r  musculoske a novel high th kdrivability. F anent version 

urface perma

 structure can antagonistic p one  joint)  g  two  joints)

pair of exor y one spiral m from the shou nstead of six.

of  the  pl ture  is  shown

uscle  ernal  ce of  ching  cs or 

ation  otary  uscle  amics  estor  milar  cular  f AC  the  s are  other  otary  s are  ed to  gged  [11].  es as  uman  ng on  of the  aving,  link.  sfully  these  tions.  and  [12].  [13].  eletal  hrust  From  was  anent 

n be  pairs  and  .  By  r and  motor,  ulder   The  lanar  n  in 

  Figu   The angl and mus and   ��� ��� ���   Dist mon ��� ���� mus atta ��� is re   Base and     Whe obta shou  

ure 1. Simplified  main angles le (q2). Based 

 using trigon scle lengths, lm

 a2 are link len

� ������ ����

� ������ ����

� � ����� � � �������c

tances  betw noarticulars fr and ��� while  and ����. The scles affect th

ch, i.e., ��� af affects �� (elb edundant beca

ed on (1), the  joint velocitie

� �� ��� ���

ere  ����    is ained from pa ulder and elbo

d diagram and m  are the shou

on the simp nometric iden mi with joint an ngths). 

� ����������

� ����������

����� � ���� �� c�� ��� ������

ween  connec rom the joint  e connection  e extension/co he respective j ffects the join bow). Howeve

ause it affects b

e relation betw es, ��  is given 

�� �� �� � � � ����

  the  muscle artial derivati ow angles, sho

��

����� ��� �� ��� ��

manipulator des

ulder angle (q

lied diagram ntities, the re ngles q1 and q2

� �� 

�� 

������c�� ��� ����������� �

ction  length angles are lab lengths of b ontraction of m

joint angles t nt angle �� (s er, the biarticu both � and �

ween muscle  as; 

� �� �� � �  

e‐to‐joint  spa ives of (1) wi own in (3).   

�� �� ���� ��� �� �� ���� ��� �� �� ���� ���

      sign  

q1) and elbow m in Figure 1 elationship of 2 is derived (a1

        � ���    (1)

hs  of  the belled ���, ���, biarticular are monoarticular o which they shoulder) and ular muscle lm3

�. 

velocities, ���

     (2

ace  Jacobian, ith respect to

(3)

where    ����

��� � �

�������� ����� ��� ;

���� ��� � �;  ����

��� � �; ����

��� � �

�������� ����� ��� ;   

���� ��� �

�������������� � ��������������� ���

��� ; 

  ����

��� �

�������������� � ��������������� ���

���  

 

It needs to be highlighted that this Jacobian is different  from that of [6], because in the mentioned reference it is  not structure‐dependent. In our case, this Jacobian varies  with  the  connection  points  (i.e., ���, ���, ���, ���,   ������� ����). Next, the equation relating joint torques, �  (vector of shoulder and elbow torques) and muscle forces,  ��� (vector of muscle 1, muscle 2 and muscle 3 forces) can  be described in (4) as;     

 

��� � ����� � ���� ���� ����

�    (4) 

       

 

Also, the equation relating the joint torques, �  and the  end‐effector forces, �� for a 2R planar manipulator is;   

��� � � � ��� ���� 

  (5)   

where � is the 2R planar Jacobian matrix from task space   to joint space which contains the following elements;   

��� �������� � ����� ���� ��� ������ ���� ���

�������� � ����� ���� ��� ����� ���� ��� �        (6) 

 

The equation relating to the end‐effector forces, �� (vector  of end‐effector forces) and the muscle forces, ��� can be  determined as follows; 

 

      � ��� ��� � � �

������ ��� ��� � ���

�       (7) 

     

From Equation (6), the end‐effector forces plot of the  biarticular structure can be obtained. Figure 2 shows the  static end‐effector forces of structures with biarticular  forces and the structures without. The forces applied for  ��� [N], ��� [N] and ��� [N] are; 

 

      ���� ��� � ���� � ��� ���       (8)        ���� ��� � ���� � ��� ���             ���� ��� � ���� � ��� ���        

The end‐effector output force produced by biarticular  forces  shows  a  hexagonal  shape  which  is  more 

homogenous than the tetragonal shape of the end‐effector  forces without biarticular actuation. This is one of the  many advantages of biarticular manipulators compared  to monoarticular actuation only. 

 

 

Figure 2. Cartesian view of end‐effector forces for structures  with (red)  and without (blue) biarticular muscle forces 

 

3. The Spiral Motor 

 

Being specically developed for musculoskeletal robotics,  the third prototype spiral motor’s main feature is its  direct  drive  high  thrust  force  actuator  with  high  backdrivability.  This  three  phase  permanent  magnet  motor  consists  of  a  helical  structure  mover  with  permanent  magnet  and  stator.  The  linear  motion  is  derived from the spiral motion of the mover to drive the  load.  In  addition,  the  motor  has  high  thrust  force  characteristics because the ux is effectively utilized in its  three dimensional structure [14]. This spiral motor does not  include ball screw mechanisms, thus friction is negligible  under proper air gap (magnetic levitation) control. 

 

 

(4)

   

Figure 4. Spiral motor illustration   

As seen in Figure 4, there is a small air gap between the  mover and stator. This small distance is ideally 700 um  between the Teon sheet of the mover (at centre position)  and the stator yoke. This air gap displacement, ��, is  related  to  the  linear  displacement,  x,  and  angular  displacement, �� in  (11).  If  the  gap  displacement  is  maintained, i.e.,  the surface of  mover  and  stator are  untouched,  magnetic  levitation  is  realized.  Simultaneously, by a vector control strategy, the angular  control provided by q‐axis currents will give forward or  backward  thrust  while  d‐axis  currents  control  linear  displacements and magnetic levitation, as shown in the  plant dynamics of the spiral motor in (9) to (12); 

 

  �� �� � ����� ����� ���        (9)    �� �� � ����� ������� ����� � ��    (10) 

  ��� � � ��        (11) 

  � �����      (12) 

 

where �� �� and �� �� denote spiral motor force and torque, 

���� represents  the  force  generated  during  magnetic 

levitation, �� is force constant and �� is torque constant. 

��� and �� are  force  and  angular  disturbances.  Gap 

displacements, ��, are related to linear, x, and angular  displacements, �,  by  the  lead  length,  ��  (12).  One  revolution of � would result in a displacement of length 

�� if the gap displacement is zero. 

 

   

Figure 5. Assembled short‐length spiral motor   

3.1 Direct Drive Control of the Spiral Motor   

Assume  ��� and  �� are  control  inputs  for  gap  displacement and angular displacement [15], which will  match its respective acceleration terms; 

 

  ���� ��� ����� ��� � ��� ����� � ��� �  (13)    ��� ������ ��� ����� � �� � ��� ������� ���    (14)   

where ��� is the gap reference and ����  is the gap velocity  reference. ���, ���, ��� and ��� are PD gains for gap and  angular  positions  and  velocities.  Also,  the  relation  between linear and angular acceleration is known as;   

    �� � ��� � ���      (15) 

 

By replacing the linear acceleration term in (9) with (15) ,  force dynamics of (9) can also be expressed as; 

 

  � ���� � ���� � ����� ����� ���    (16)   

Replacing  the  acceleration  terms  with  control  inputs  (subscript n denotes nominal value);  

 

  ������� ���� � ��������� ������ ����  (17)   

Thus, the d‐axis current reference (that will be tracked by  a PI current controller) will have the following form;   

  ���������������� ���� � ������ �����  (18)   

By applying the same technique to the torque dynamics  in (9) for the q‐axis current reference; 

 

���� � ������� � � ������� � ���� � ���� � � ���  (19)  ����� � ��� ��� ��������� ���� � ���� � � ����  (20)   

and  disturbance  for  linear displacement  and  angular  displacement (in Laplace domain) are estimated as;   

����������

���������� ����� ������      (21)  ��������� ��������� � �������� � ����� � ������  (22)   

where �� and �� are the gain of the disturbance observer  for linear and angular displacements. Until this point,  direct drive control can be achieved at gap values of 0  mm.  But  due  to  disturbances  (i.e.,  manufacturing  accuracy of mover and stator), the current at 0 mm is not  zero. Therefore, a neutral point (zero power) that induces  zero currents for d‐axis current is desired and low power  control is realized as follows; 

 

  ������ � ���� � �� �0� � ����� ����   (23)    �������� ���� � 0 � ������� � ����         

��

������0��������� ���

 

As acceleration terms are usually affected by noise (due  to differentiation), for initial testing, we simplify (24) to  become; 

      ��������

(5)

Figure 6. Direc d‐axis gap refe  

Experiments  were carried with a strok used for data the forward  the direct dri We regard th is required b then forward smoothly.  I motions are p be maintaine stator  and  around 0 A,  the current s 0 mm was  results for di d‐axis curren in [15], direc d‐axis contro  

4. Singularity  

This kinemat work space  three spiral m  

 

Parameters 

Weight (kg)  Stroke (mm)  Extended len Contracted le

Estimated  m  

Table 1. Spiral

ct drive experim erence) (c) Curre

for direct dri d out using th

ke of 0.06 m a collection an and backwar ive control wa his as the initi because once  d and backwa If  magnetic 

performed sim ed and dama mover.  After the forward r tabilize at 0 A applied. Figu irect drive for nt control (aft ct drive contro ol. 

y/manipulabil

tic parameters of the manip motors are sho

ngth (mm)   ength (mm) 

max. force [N] 

l motor specifica

mental results w ents (d) Reverse

ive forward an he monoartic m. TMS320C67 nd control. Tw d inverters w as applied to 0 ial gap stabiliz magnetic levi ard motions c levitation  an multaneously, 

age could be r  d‐axis  curr reference was A again, the re ure 6 shows  rward/reverse 

er gap initiali ol was perform

ity of Biarticu

s can be used pulator. The p own in Table 1

Spiral 

Monoarticul

1.5  60  256.5  196.5 

100 

ations for muscl

with zero d‐axis e drive (e) Gap d

nd reverse mo cular spiral m 713‐225MHz w wo DC supplie were used. At  0 mm (x posit zation phase.  itation is real can be perfor nd  forward/ the gap migh e inflicted on rent  stabilize s given. Then  everse referen the experime motion with  ization). Note med without 

ular Structure

d to determine parameters of 1. 

Motor Type 

lar  Biarticul

2.3  70  380.5 310.5

150

les 

s current contro displacement (f

otion  motor  were  es for  first,  tion).  This  ized,  rmed  /back  ht not  n the  d  at  after  ce of  ental  zero   that  zero 

e the  f the 

lar 

The man equ

 

 

For  to th the 

 

 

By r the  mon ���   The  

 

Figu

l (a) Forward d ) Currents 

 forward kin nipulator can  ation (x and y

� � ���� � � ���� the biarticula he maximum  actuators, sho

referring to E connection le noarticular �� � ��� (same ar n, the ranges o

����� ����

ure 7. Closed‐kin

drive (b) Gap di

nematics (end‐ be calculate y are Cartesian

������ � ��co �� ���� � ����� ar manipulato

(��� ��) and m own as; 

��� ���� ��� �� � ��� � � Equation (1), jo engths ��  and ��.  For  us, 

rrangement fo

of allowable a

� ����

� � ��� ���

nematics of biar

isplacements (re

‐effector posi d by using t n coordinates);

s���� ���  � ���� ���      or, kinematic l minimum len

� ��   ��    oint angle   i d ��. The sam

we  chose �� or both monoa

angles for �� an

� ����� ������� �   

rticular manipu

  ed denotes zero

tion) of a 2R the following ; 

  (25)

  (26)

limits are due gth (��� ��) of

  (27)

  (28)

is bounded to me applies for ��� ���   and articulars). 

nd �� are; 

   (29)

  lator  

R  g 

)  ) 

e  f 

)  ) 

o  r  d 

(6)

Figure 8. Man connection (��

 

where 

 

 

This implies  incur maxim biarticular  l plotted.  Figu different con shape  of  th monoarticula the connecti shoulder ang  

Manipulabili of  the  mu Jacobian term regions,  and induced. Red  

The  inverse manipulator  radians. This In addition,  also evident  examples of  biarticular m  

Figure 9. Exa biarticular stru

nipulability plo

��� ���). Biarti

� � ����� ����

that the minim mum angles an

length  limits, ure  8  shows  nnecting points he  angle  limi ar length limit ion points of gle, the larger 

ity was obtain uscle‐joint  Jac ms. Dark blue d  at  zero  m d represents th

e  kinematic  [24] can be  s is also true f

due to muscl at the shoul singularity an manipulator are

amples of singu ucture.  

ots for (a) al1=

cular connection

� ���������� � ���

mum lengths  nd vice versa.  ,  manipulabi   the  manipu s of monoartic its  is  due  to ts. It can be se f  monoarticul the work spac

ned by finding cobian  and  e represents lo

manipulability he high manip

singularity  seen at the  for the biartic le Jacobian ter lder angle of nd manipulab e illustrated in

ular and manip

=0.14m, (b) al1=

ns (al31 and al32)

����� 

of monoarticu Thus, conside ility  [16]  can ulability  plots cular muscles. o  biarticular 

en that the fur lars are from ce. 

g the determin end‐effector‐ ow manipulab

y,  singularity pulability regio

of  planar  elbow angle  cular manipul

rms, singulari f 0 radians. S bility poses fo

n Figure 9. 

pulability pose

=0.16m, (c) al1=

) set at 0.06 m 

ulars  ering  n  be  s  for  . The  and  rther  m the 

nants  ‐joint  bility  y  is  on. 

2R  of 0  lator.  ity is  Some  r the 

 

es for 

In t beco beco angl biar

 

Hig mus mus regi

 

If  mon recip dete Figu

Figu

����

=0.18m and (d) 

he case that e omes  fully  omes zero, and

les could not rticular length

gher manipula scles  are sho scles (or maxi ion is observed

the  connecti noarticulars  a

procal condit ermine ill‐con ure 11; 

ure 10. Recipro

� 0.14 m; (a) ���

al1=0.20m for  either should extended,  th d singularity i t become zer h limit (refer Fi

bility poses ar ort,  and  at  n imum angles), d.  

ion  points  o are  different, 

ion of the Jac ndition [25]) is

  (a) 

  (b) 

ocal condition p

��� ����� 0.06

similar elbow

er or elbow m he  shoulder/

is observed. H ro simultaneo igure 7).  

re induced wh near  minimum

, maximum m

of  shoulder  the  followin cobian (anoth s shown  in F

plot for ���� � 6 m (b)������ ��

 monoarticular

monoarticular /elbow  angle However, both ously, due to

hen lengths of m lengths  of manipulability

and  elbow ng  results  of her method to Figure 10 and

 

 

���, ���� 0.� m ���� 0.10 m 

 

r  e  h  o 

f  f  y 

w  f  o  d 

(7)

    

   

Figure 11. Rec ���� 0.� m; (a

 

As seen in F small, the co narrow and  muscle conn the work sp connection d with less wor

 

Figure  12  s different con obvious that biarticular m work space a

 

5. Biarticular

 

Most planar  There  is  m manipulators manipulators Lagrange (LE closed‐chain  Equations du

 

 

ciprocal conditio ) ����� ����� 0

Figure 10 and  orresponding 

vice versa. A nection point i pace becomes distance, ill‐co

rk space.   shows  the  re nnection point

t by connectin muscle differen and reciprocal 

 Plant Dynam

2R robots are  much  researc s.  Modelling  s uses Ordina E) or Newton 

manipulators ue to constra

(a) 

(b) 

on plot;  ���� �

0.06 m (b)������

11, if the val shoulder/elbo Also, the furth is from the h . By increasin ondition is fur

eciprocal  con ts of the biarti ng the end of ntly, significa

condition is s mics Modelling

serial/open‐ch ch  on  contr

of  unconstr ary Differenti Euler (NE) fo s require Diff aint equations

���, ���� 0.�� m

� ����� 0.�0 m

lue of ��� or   � ow angle beco her the biartic hinges, the sm ng the biartic rther avoided,

ndition  plot  icular muscle. f each side of ant changes to

seen.  g 

hain manipula rol  of  these

ained  open‐c ial Equations  ormulation), w ferential Algeb s [17]. Const

 

 

m and  m 

��� is  omes  cular  maller  cular  , but 

with  . It is  f the  o the 

ators. 

  2R  chain  (via  while  braic  traint 

poin used Equ of a 

          

Figu ����

����

 

nts are virtua d to obtain m uation (29) dep

closed‐chain 

 ������� � ���

ure 12.  Recipro

� 0.06 m, ����

� ���� 0.�� m �

ally cut open mass, gravity  picts the gener manipulator;  �� ����� � ���� �

  (a) 

  (b) 

  (c) 

ocal condition  � 0.�0 m (b)��� ����� 0.06 m, �

n and LE form and centrifu ralized equatio

� � � ���� ����

plot;   ���� �

���� 0.0� m, ���

����� 0.�0 m  

mulation was ugal matrices. ons of motion

���

��  (29)

���� 0.�m; (a) ��� 0.06 m; (c) s 

.  n 

) 

 

 

 

(8)

where � denotes joint angle/muscle length vector, � is the  vector of constraints, ����is the mass matrix, ���, �� � are  centrifugal/Coriolis terms, ���� are gravity terms, � are  generalized forces/torques,  ����  are the constraint forces  (from  the  closed‐loop  kinematics).  The  term �� ���  represents disturbance forces applied. �� is transposed  from  (6)  and ���  is a  vector of x  and y  Cartesian  disturbance force. We will show the constraint‐related  terms. As mentioned, others can be obtained via LE, NE  or other dynamics formulation. 

 

Constraint equations (from trigonometry) are derived as; 

 

��������� ����� ���������� � 0 

��������� � ���������� � 0 

��������� � ���� ���������� � 0 

��������� � ���������� � 0 

��������� � ����� ��������� � ������� ���� ��� � 0  ��������� � ��������� � ����������� ��� � 0  

  Also, the relative acceleration at the constraints are zero  ( ��, ��� are the constraint Jacobian and Jacobian derivative),        ���� � ��� �� � 0      (30) 

  The constraint Jacobian (unmentioned terms are zero) is  described as;           J� � � J��� … J��� � � � J��� … J��� �       (31) 

  ���� � ����������; ���� � ���������� ;  ���� � �������; ���� � ����������� ;  ���� � ���������; ���� � ������� ;  ���� � ����������; ���� � ���������� ;  ���� � �������; ���� � ����������� ;  ���� � ���������; ���� � ��� ����;  ���� � ����������� ��� � ���� ����� ;     ���� � ����������� ��� ;     ���� � ����������; ���� � ��� ����;  ���� � ������������ ��� � ����� ����;     ���� � � ����������� ��� ;     ���� � ���������; ���� � ��� ����;    The constraint Jacobian derivative is derived as;           J�� � � J��� … J��� � � � J��� … J��� �       (32) 

  ���� � �������������     ���� � ������������� � ������� ���;  ���� � �������� ��� ; ���� � ���������� ��� ;  ���� � ������������� � ���������� ;   ���� � ������� ��� ; ���� � ���������� ��� ;  ���� � ������������� � ������� ��� ;  ���� � �������� ��� ; ���� � ���������� ��� ;  ���� � ������������� � ������� ��� ;  ���� � ���������� ���� � ��������� ��� � �������� � ��� ���� ���� ���;     ���� � �������� � ��� ���� ���� ���;     ���� � ������������� � ������� ��� ;  ���� � �������� ��� ;   ���� � ��������� ��� � �������� � ��� ���� ���� ���;     ���� � �������� � ��� ���� ���� ���;     ���� � ������������� � ������� ��� ;  ���� � ����������   By  combining  these  two  equations,  the  following  generalized closed‐chain model can be derived;      � �� ���� ��� 0 � � �� �� � � � � ��� � �� �� ��� �� �      (33) 

  To  include  the  spiral  motor  plant  dynamics  in  the  generalized closed‐chain model, (33) has to be modied  to the following;      ��� 0 ��� � 0 �� 0 ��� 0 0 � ����� �� � � � � ��� � �� �� �� ��� �� �  (34)    The inertia terms from the angular rotation now emerge  (�, ��, �). With this modification, the d and q‐axis currents  could also be seen in simulation (refer Equations (9) to  (12)). To visualize the plant model, the dimensions of the  left‐hand terms would become;    � � � � � � � � ����� … � ��� 0 0 0 �� ��� … �� ��� ���� … ���� 0 0 0 ����� … ����� 0 … 0 �� 0 0 0 … 0 0 … 0 0 �� 0 0 … 0 0 … 0 0 0 �� 0 … 0 ����� … ����� 0 0 0 0 … 0 � � � � � � � � � ����� … ����� 0 0 0 0 … 0 � � � � � � � � � � � � � � � � � � �q�� q�� θ�� θ�� θ�� λ� � λ�� � � � � � � � � �           (35) 

(9)

The  unactu correspondin torque/force) to � (monoa forces) are gi

 

       

 

In simplified

 

      ����� ��

 

6. Work Spac

 

Robotic man some of the m

[18],  SCAR

feedforward  position  con Previously d approach and general struc actuator spec

 

In this paper extended to t of viewing t the  additio considering a for x and y‐a

                     

where A is th y coordinates

 

From 0 to 0 without givi space or wor stabilize at ce the position r is given. In  effector is giv

 

Here we pre actuated stru using  the  (monoarticul cut‐off freque control, zero 

uated  variabl ng  ��  to  ��

). � is the vec articular 1, m iven by the fol

       ����� �� � � � �� �� ��

 terms, the pla

� ��0� �0� ��� 0

ce Position Co

nipulators hav many exampl

RA  manipula

and  compu

ntrol  of  cons described in [2

d the Direct C cture of a bi cific. In [23] ot

r, the generali the specific sp he effects on  on  of  Carte a circular task xis positions a

x�t� � � y�t� � � ω�t� � 2

he radius of th s of the centre

0.5 seconds, g ing any  posi rk space). Thi entre (0mm) p reference of th addition, Car ven between 1

esent compar ucture with th

IK  approac

ar control gain encies are iden d‐axis current

les  are  ��  t �  are  alway

ctor of spiral m monoarticular 

llowing equati

������� ������ ������� ������ ������� ������

ant can be des

���� 0 0 � �� �� � � ontrol 

ve been resear es are torque  ator  trackin uted  torque 

strained  robo 22] are some a Cartesian (DC) articular man ther methods w

ized work sp piral motor ca gap and pos esian  load  k space trajecto

are shown as; 

cos�ω�t�� � x sin�ω�t�� � y� 2��� � cos�t�� 

he circle and x e of the circle.  

gap stabilizat ition  referenc is phase is to position. From he circle trajec rtesian disturb 1 to 3 seconds.

risons of a m hat of a biarti

ch  and  the ns, i.e., PD, dis ntical). Note th t control is not 

to  ��.  Thus,

ys  0  (no  i motor torques

2 and biartic ion; 

� � �

�      

scribed by (38)

��� � �� �� �� ��� ��

�   

rched extensiv sensorless con ng  control 

control  [20]  otic  system  approaches (th

) approach) fo nipulator, i.e., were investiga

ace control [2 se for the pur sition control  disturbance. ory, the refere

x�   

�   

 

x� and y� are x

tion is perfor ce (either in  o allow the ga m 0.5 to 6 seco ctory (5 cm rad bance on the 

  

monoarticular  cular structur

e  DC  appr

sturbance obse hat for work s

applied. 

,  its  nput  s.  �  cular 

 (37) 

); 

 (38) 

vely;  ntrol  [19],  and  [21].  he IK  or the  , not  ated.  

22] is  rpose  with  By  ences  (39)  (40)  (41) 

x and 

rmed  joint  ap to  onds,  dius)  end‐

only  re by  roach  erver  space  5.1 I   By  (elb refe  

 

        From to  acce and                    The (48) non     From can  ���,     Figu   Inverse Kinema

using the IK ow/shoulder  rence trajector

       q�� t�n�

m joint referen obtain  musc eleration). x��, x�

 biarticular sp

      

      

      

 rotational acc to (50)   with n‐zero d‐axis cu

      

      

      

m these refere be constructe

����� �n� to�q

ure 13. IK contro

atics Approach 

K approach [2 angles) are ob ries (x and y); 

� ���������

q�� t�n��

�� �

�� t�n�����

nces, muscle  cle  reference

x��,x�� are shou

piral motor lin

 ������� ������

 ������� �������

 ������� ������

celeration refe h   ����� 0 (g urrent control

      �����������

      �����������

      �����������

ences, dq‐axis ed for each mu

q��s ����, ���,�

ol for manipulat  

24], joint spac btained  from 

��������

���    

��D� D    

��������� ������������ 

kinematics (1 es  (i.e.,  leng ulder, elbow m near  accelerati

��� ������ 

��� ������ 

��� ������ 

erences are ca ap references l);  ��������� ��         ��������� ��         ��������� ��        

s control (refe uscle to gener

���� �s in ����

tor driven by sp

ce trajectories the Cartesian

      (42)

       (43)

       (44)

) can be used gth,  velocity, monoarticular ions. 

      (45)

      (46)

      (47)

alculated as in s are zero for

       (48)

       (49)

       (50)

er (13) to (20)) rate the forces

�n� ����.

piral motors 

(10)

In this part, only Y‐axis disturbance of 10 [N] is given. The 

initial circle trajectory response in Figure 14 shows that the 

biarticular structure exhibits better accuracy. Initial errors 

due to the gap stabilization can be seen at the near start 

position (0.15, 0.53). Then the effect disturbance of 10 [N] 

can  be  seen  as  the  response  is  deviating  from  the 

reference. Cartesian errors are shown in Figure 15; ‘mono’ 

denotes monoarticular structure responses while ‘biart’ 

denotes biarticular structure responses. 

 

 

Figure 14. Close‐up view of circle trajectory responses from 

monoarticular structure  and biarticular structure  

 

   

Figure 15. Cartesian errors for the IK approach 

 

   

Figure 16. Gap responses for the IK approach 

 

For Figure 16, ‘mono gap1’ and ‘mono gap2’ refer to the 

monoarticular muscle gaps in the monoarticular structure, 

while ‘biart gap1’, ‘biart gap2’, ‘biart gap3’ refer to the 

shoulder monoarticular gap, elbow monoarticular gap and 

biarticular gap in the biarticular structure. Referring to gap 

displacement responses in Figure 16, in the initial gap 

stabilization phase (0 to 0.5 s), more interaction is obvious 

in the biarticular case, but the biarticular structure shows 

better gap control during position tracking. 

Force responses from muscles are shown in Figure 17. 

Both  forces are bounded.  Next,  the  torque responses 

(rotational part of spiral motor) are shown in Figure 18. 

 

  Figure 17. Spiral motor forces for the IK approach   

  Figure 18. Spiral motor torque for the IK approach 

 

  Figure 19. D‐axis current for the IK approach    

 

Figure 20.  Q‐axis current for the IK approach 

 

Figures 19 and 20 show the d‐ and q‐axis currents generated. 

As in the spiral motor simplified plant model, the d‐axis is 

related to muscle (spiral motor) forces while the q‐axis is 

related to spiral motor torques. It can be said that the 

biarticular forces reduce the effort of the elbow monoarticular 

(11)

For this app

visible  (seen

muscles are 

distribution. 

 

5.2 Direct Cart  

For the DC 

space domai

joint space (

(muscle) spac

 

Figure 21 sh

equation is s

Cartesian end

 

� �

� � �

��̂

�̂

�     where      � �   ���   ���   ���   ���  

Figure 21. DC 

     

proach, muscl

n in oscillatio

independentl

tesian Approach

approach, th

in are control

(virtually), th

ce by the joint

hows the con

shown in Equ

d‐effector pos

��

��

������� ����

��

0

0

� �

� � �

�� ����

0

 

������

���

� �

� ���� ��� �� ����  � ������ � �� ����� ��� ���  � ���� ��� � ������ � �� 

control for man

e force intera

ons) as  expec

ly controlled w

e forces from

led in the sho

hen transferre

t‐muscle Jacob

ntrol diagram

uation (51) to

ition response

���

��

� � �

��

0

� ��� � ��

���

�� � ��

���

��

0

�� ����

� ��

� � �

� � �

� �

���� ��

  ������ ���� � ��� ����� � ������ ��� nipulator  

actions are cle

cted,  because

without any f

m work space/

oulder and el

d to the actu

bian (3).  

m and the con

o (55). ����� ���

es.

0

��

� �

� � �

��

� � �

��

� � ��̂

�̂

��

��

��

��

                            ����� ��������  ���� � ���  early 

e the 

force 

/task 

lbow 

uator 

ntrol 

�� are 

�� ��

� �

����

 (52) 

 (53)

 

 

The calc Cart Jaco

gi ar

forc mus spir spir     The the  Equ num   For  add seco dep sign     Figu appr     Figu   Nex Biar mon  

 inverse Jacob

ulated by us

tesian acceler

obian time der

re disturbanc

ces’ terms are o

st be distribut

ral motor. From

ral motor is ag

������ �

 gap control v

angular contr

uation (54) (s

mber); 

this study, C

ded  to  the en

onds. The traje

icted  in  Figu

nificant improv

ure 22. Close‐up

roach 

ure 23. Cartesian

xt,  the  gap 

rticular  mus

noarticulars, e

bian to obtain

ing Moore’s 

ration, ���is t

rivative, � is 2

e observer ga

obtained from

ted to the gap

m Equation (1

gain shown; 

���� � �����

variable (uxg

rol variable is

subscript  i  re

��

����

���

Cartesian Y di

nd‐effector  fro

ectory trackin

ure  22  and 

vements comp

p view of circle t

n errors for the D

responses  ar

cle  helps  r

especially duri

 

n the muscle fo

inverse pseud

the inverse o

2R planar ma

ains. Now tha

m the virtual jo

p and angular

16), the linear 

��� ���� � ���

is the same a

 obtained by 

efers to respe

� ����

��  

sturbance of 

om the perio

ng and Cartes

Figure  23  w

pared to the IK

trajectory respo

DC approach 

re  shown  in

reduce  gap 

ing disturbanc

orces, ���� are

domatrix. �� is

of (6), �� is the

ss matrix and

at the muscle

oint torques, it

r terms of the

forces for the

��  (54)

as in (13), but

manipulating

ective  muscle

  (55)

10 [N] is also

od of 1 to 3

ian errors are

which  shows

K approach. 

 

nses for the DC

 

n  Figure  24.

values  for

(12)

The spiral motor force and torques are depicted in Figure  25 and Figure 26. Forces were acceptable and bounded  between 60 [N] in both directions for all the muscles. 

 

 

Figure 24. Gap responses for the DC approach 

 

 

 

Figure 25. Spiral motor forces for the DC approach 

 

   

Figure 26. Muscle torques for the DC approach 

 

 

 

Figure 27. D‐axis current for the DC approach 

 

Next, spiral motor d‐ and q‐axis currents are shown in  Figure 27 and Figure 28. It can be seen that the d‐axis  current is lower in the biarticular structure than in the  monoarticular only structure.  

   

Figure 28. D‐axis currents for the DC approach 

 

7. Discussion 

 

The  two  methods  for  position  control  in  the  task  space/work  space  domain  provide  some  interesting  results.  It is  clear that the IK  approach and the DC  approach yield acceptable responses.  

 

In  the  gap  stabilization  phase,  IK  provides  a  clear  oscillatory response in achieving a gap at the centre (0  mm). The biarticular actuation increases the oscillations  of the gaps. In the DC approach, this oscillation does not  exist, in both monoarticular and biarticular structures.  The  DC  approach  provides  smooth  gap  responses  initially.  At  the  start  of  position  tracking  (before  disturbance), both methods yield good responses (i.e.,  variation of gap minimum, small amount of forces and  currents), but during disturbance, the effects can be seen  clearly.  Tracking  errors  increase,  but  control  was  maintained. Towards the end of the disturbance, errors  were acceptable.  

 

Table 2 summarizes the comparisons of the IK and DC  methods  on  monoarticular  and  biarticular  structures  based on Cartesian errors. 

 

  Structure/Method 

Error (mm)  MonoIK  BiartIK  MonoDC  BiartDC  Mean x error  ‐0.070  ‐0.001  ‐0.017  ‐0.005  Mean y error  ‐0.039  0.007  ‐0.013  ‐0.003  Max. x error  3.800  1.600  0.131  0.149  Max. y error  0.651  0.617  0.120  0.085 

Table 2. Comparison of errors between methods/structure 

 

In short, errors for DC method are lower than IK method  and  errors  for  biarticular  structures  are  lower  than  monoarticular structures. 

 

8. Conclusion and Future Works 

 

(13)

properties were initially presented. Then, the spiral motor  was introduced and manipulability was discussed. Next,  the modelling of the biarticular manipulator using spiral  motors was briefly explained and the results of the IK  approach and the DC approach for position control of the  manipulator were compared between a monoarticular  only structure and a biarticular structure. For work space  force control schemes (with environment) of a biarticular  manipulator, readers are advised to refer to [26]. 

 

The gap control is a crucial element in the spiral motor  direct drive motion. It was shown that the work space  position control was   successful in all cases, although  some better responses  were  shown in  the  biarticular  manipulator. Among the advantages of the biarticular  structure were the improved control of the gap of the  elbow  monoarticular  muscle  and  better  accuracy  of  trajectory tracking. In future, we   plan to compare our  manipulator to other biarticular manipulators available, i.e.,  ball‐screw mechanism, pneumatics, cables or hydraulics. 

 

9. Acknowledgments  

 

This work was supported by KAKENHI 24246047. 

 

10. References  

 

[1]  Park H. S, Floyd S, Sitti M (2010) Roll and Pitch  Motion  Analysis  of  a  Biologically  Inspired  Quadruped  Water  Runner  Robot.  Int  Journal  of  Robotic Research, Vol. 29, No. 10 :  1281‐1297.  [2]  Deng X, Schenato L, Wu W, Sastry S, (2006) Flapping 

Flight for Robotic Insects. I. System Modelling. IEEE  Trans. on Robotics, Vol. 22, No. 4 : 776‐788. 

[3]  Tahara K, Luo Z.W, Arimoto S, Kino H (2005) Task  Space Feedback Control for a Two‐link Arm Driven  by Six Muscles with Variable Damping and Elastic  Properties.  IEEE  Int.  Conf.  on  Robotics  and  Automation : 223‐228. 

[4]  Kino H, Kikuchi S, Yahiro T,  Tahara K (2009) Basic  Study  of  Biarticular  Muscleʹs Effect  on  Muscular  Internal  Force  Control  Based  on  Physiological  Hypotheses.  IEEE  Int.  Conf.  on  Robotics  and  Automation : 4195‐4220. 

[5]  Tahara K, Luo Z.W, Arimoto S, Kino H (2006) On  Control  Mechanisms  of  Human‐Like  Reaching  Movements  with  Musculo‐Skeletal  Redundancy.  IEEE Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems :  1402‐1409. 

[6]  Oh S, Hori Y (2009) Development of Two‐Degree‐of‐ Freedom  Control  for  Robot  Manipulator  with  Biarticular  Muscle  Torque.  American  Control  Conference : 325‐330. 

[7]  Tsuji T (2010) A Model of Antagonistic Triarticular  Muscle Mechanism for Lancelet Robot. The 11th IEEE  Int. Workshop on Advanced Motion Control : 496‐501. 

[8]  Salvucci V, Kimura Y, Oh S, Hori Y (2011) BiWi: Bi‐ Articularly Actuated and Wire Driven Robot Arm.   The IEEE Int. Conf. on Mechatronics : 827‐832.  [9]  Choi T.Y, Lee J.J (2010) Control of Manipulator using 

Pneumatic Muscles for Enhanced Safety. IEEE Trans.  on Ind. Electronics, Vol. 57, no. 8 : 2815‐2285. 

[10] Hosoda K, Takayama H, Takuma T (2008) Bouncing  Monopod  with  Bio‐mimetic  Musculor‐Skeleton  System. Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems :  3083‐3088. 

[11] Niiyama  R,  Nagakubo  A,  Kuniyoshi  Y  (2007)  Mowgli: A Bipedal Jumping and Landing Robot with  an Artificial Musculoskeletal System. Int. Conf. on  Robotics and Automation : 2546‐2551. 

[12] Reynolds D.B, Repperger D.W, Phillips C.A, Bandry  G (2003) Modeling the dynamic characteristics of  pneumatic  muscle.  Annals  of  Biomedical  Engineering, Springer, Vol. 31 : 310‐317. 

[13] Ariga Y, Pham H.T.T, Uemura M, Hirai H, Miyazaki F  (2012)  Novel Equilibrium‐Point  Control  of Agonist‐ Antagonist System with Pneumatic Artificial Muscles.  IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation: 1470‐1475.  [14] Fujimoto  Y,  Kominami  T,  Hamada  H  (2009) 

Development and Analysis of a High Thrust Force  Direct‐Drive  Linear  Actuator.  IEEE  Trans.  on  Industrial Electronics Vol. 56, No.5 : 1383‐1392.  [15] Smadi I.A, Omori H, Fujimoto Y (2012) Development, 

Analysis and Experimental Realization of a Direct‐ Drive Helical Motor. IEEE Trans. On Ind. Electronics  Vol. 59, No. 5 : 2208‐2216.  

[16] Yoshikawa  T  (1985)  Manipulability  of  Robotic  Mechanisms. Int Journal of Robotic Research, Vol. 4,  No. 2 : 3‐9. 

[17] Ghorbel F.H, Chetelat O, Gunawardana R, Longchamp  R (2000) Modelling and Set Point Control of Closed‐ Chain Mechanisms: Theory and Experiment. Int. Trans.  on Control Systems Technology Vol. 8, no. 5 : 801‐814.  [18] Murakami  T,  Yu  F,  Ohnishi  K  (1993)  Torque 

Sensorless  Control  in  Multidegree‐of‐freedom  Manipulator. IEEE Trans. on Ind. Electronics Vol. 40,  no. 2 : 259‐265. 

[19] Visioli A, Legnani G (2002) On the Trajectory Tracking  Control  of  Industrial  SCARA Robot Manipulators.  IEEE Trans. on Ind. Electronics, Vol. 49, No. 1 : 224‐232.  [20] An C. H, Atkeson C. G, Griffiths J. D, Hollerbach J. M 

(1989) Experimental Evaluation of Feedforward and  Computed Torque Control.  IEEE Trans. on Robotics  and Automation Vol. 5, no. 3 : 368‐373. 

[21] Zhang Y.X, Chong S, Shang W.W, Li Z.X, Jiang S.L  (2007)  Modelling, Identification and  Control  of a  Redundant Planar 2‐DOF Parallel Manipulator.  Int.  Journal of Control, Automation and Systems Vol. 5,  no. 5 :  559‐569. 

(14)

[23] Shukor  A.Z,  Smadi  I.A,  Fujimoto  Y  (2011)  Development  of  a  Biarticular  Manipulator  using  Spiral  Motors.  37th  Annual  Conference  on  IEEE  Industrial Electronics Society : 92‐97. 

[24] Spong M.W, Vidyasagar M (1989) Robot Dynamics  and Control. John Wiley and Sons : 23‐24.  

[25] Ming Z. Huang (2011). Design of a Planar Parallel  Robot  for  Optimal  Workspace  and  Dexterity,  International Journal of Advanced Robotic Systems,  Vedran Kordic, Aleksandar Lazinica, Munir Merdan 

(Ed.),  ISBN:  1729‐8806,  InTech,  Available  from:  http://www.intechopen.com/journals/international_jo urnal_of_advanced_robotic_systems/design_of_a_pla nar_parallel_robot_for_optimal_workspace_and_dext erity 

[26] Shukor  A.Z, Fujimoto  Y (2012) Force  Control of  Musculoskeletal Manipulator.   IEEE Int. Workshop  on Advanced Motion Control (AMC), Paper ID. 74.   

Gambar

Figure steelsheet 3. Spiral motor parts (a) Neodymium magnet (b) Silicon   stator  yoke  (c)  Mover  attached  with  magnet  and  Teflon  (d) Wound and assembled half stator 
Figure 4. Spiral motor illustration 
Table 1. Spirall motor specificaations for musclles 
Figure  8.  Manconnection (��nipulability  plo�� � ���). Biartiots  for  (a)  al1=cular connection=0.14m,  (b)  al1=ns (al31 and al32=0.16m,)  (c)  al1=) set at 0.06 m =0.18m  and  (d) al1=0.20m  for similar  elbow  monoarticularr
+5

Referensi

Dokumen terkait

CV.GEO CONSULTANT 02.032.226.9-102.000 Jl.Cendrawasih No.59 - Panggoi 2,00 32,00 27,00 61,00 60 Lulus III. Lhokseumawe, 21 September 2012 ULP

Nilai P value adalah 0,000 yang berarti nilai tersebut lebih kecil dari nilai taraf signifikan (0,000 < 0,05), dengan demikian maka Ho ditolak yang menunjukkan ada

Hasil penelitian menunjukkan bahwa Profil nasionalisme di kalangan remaja Desa Geneng telah menempatkan persatuan-kesatuan, kepentingan dan keselamatan bangsa negara

dari pengembangan usaha minuman instan berbasis tanaman biofarmaka. antara lain meningkatnya pendapatan bagi pelaku usaha dan

Arfin Setiawan. DESIGNING COMPUTER ASSISTED LANGUAGE LEARNING MEDIA FOR JUNIOR HIGH SCHOOL STUDENT AT SMP N 1 WONOSOBO. Muhammadiyah University of Surakarta. This

PENGARUH PEMBERIAN BAHAN EKSKRETORI- SEKRETORZ (ES) CACING Ascaridia galii DEWASA,.. L2, DAN KOMBINASNYA PADA G M A R A N MIKROSKOPIS SALURAN CERNA AYAM

[r]

Kepada peserta yang berkeberatan dengan pengumuman pemenang pelelangan sederhana tersebut dapat menyampaikan sanggahan secara tertulis kepada POKJA ULP Politeknik