H∞ Regelung eines seilgetriebenen strukturelastischen Gelenks mit hoher Modellunsicherheit

Abstract

A continuum elastic joint with an underactuated tendon actuation mechanism is controlled via linear H ∞ methods. The plant is nonlinear in its stiffness as well as in its input coupling. In the modeling of the plant, minimal coordinates that reduce linearization errors were chosen. Remaining linearization errors were treated by a systematic approach which describes them as uncertainty. With the help of the structured singular value μ, it was possible to analyze robustness of the linear controllers on the nonlinear plant as well as to design robust H ∞ controllers by explicitly regarding the obtained uncertainty in minimizing the structured singular value μ. The designed controllers were evaluated via simulation and in hardware experiments. The robust controllers designed under consideration of the systematic treatment of nonlinearities as uncertainty allowed a better control with higher bandwidth and stationary accuracy than competing designs. Ein seilgetriebenes strukturelastisches Gelenk wird mittels linearer H∞ Methoden geregelt. Der unteraktuierte Mechanismus weißt eine nichtlinear Steifigkeit sowie eine nichtlineare Eingangskopplung auf. Die Wahl der generalisierten Koordinaten minimiert Linearisierungsfehler. Verbleibende Linearisierungsfehler werden mittels eines systematischen Ansatzes als Unsicherheit im linearisierten Modell dargestellt. Mithilfe des strukturierten Singulärwerts μ wird die Robustheit der entworfenen linearen Regler analysiert, als auch robuste Regler ausgelegt, die die Linearisierungsfehler durch Minimierung des strukturierten Singulärwerts μ berücksichtigen. Die erhaltenen Regler werden in Simulationen und in Hardware-Experimenten evaluiert. Dabei erlauben die erhaltenen robusten Regler eine bessere Regelung mit höherer Bandbreite als auch besserer stationärer Genauigkeit als konkurrierende Entwürfe.