Simultaneous velocity, impact and force control

[EN] In this paper, we propose a control method to achieve three objectives simultaneously: velocity regulation during free motion, impact damping and finally force reference tracking. During impact, the parameters are switched in order to dissipate the energy of the system as fast as possible and the optimal switching criteria are deduced. The possibility of sliding regimes is analysed and the theoretical results are verified in simulations.We would like to thank the R&D&I Linguistic Assistance Office, Universidad Politecnica de Valencia (Spain), for Granting financial support for the linguistic revision of this paper. This work has been partially funded by the European project MASMICRO (Project number 500095-2), by the projects FEDER-CICYT with reference, DPI2005-08732C02-02 and DP12006-15320-C03-01, of the Ministry of Education and Science as well as by the research Project of the Generalitat Valenciana, GVPRE/2008 20080916.Zotovic Stanisic, R.; Valera Fernández, Á. (2009). Simultaneous velocity, impact and force control. Robotica. 27(7):1039-1048. https://doi.org/10.1017/S0263574709005451S1039104827710. Xu Y. , Hollerbach J. M. and Ma D. , “Force and Contact Transient Control Using Nonlinear PD Control,” Proceedings of the 1994 International Conference on Robotics and Automation (1994) pp. 924–930.Brach, R. M., & Goldsmith, W. (1991). Mechanical Impact Dynamics: Rigid Body Collisions. Journal of Engineering for Industry, 113(2), 248-249. doi:10.1115/1.2899694Chiaverini, S., & Sciavicco, L. (1993). The parallel approach to force/position control of robotic manipulators. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 9(4), 361-373. doi:10.1109/70.246048Armstrong, B. S. R., Gutierrez, J. A., Wade, B. A., & Joseph, R. (2006). Stability of Phase-Based Gain Modulation with Designer-Chosen Switch Functions. The International Journal of Robotics Research, 25(8), 781-796. doi:10.1177/0278364906067543Volpe, R., & Khosla, P. (1993). A Theoretical and Experimental Investigation of Impact Control for Manipulators. The International Journal of Robotics Research, 12(4), 351-365. doi:10.1177/027836499301200403Impact modeling and control for industrial manipulators. (1998). IEEE Control Systems, 18(4), 65-71. doi:10.1109/37.710879Brogliato, B., Niculescu, S.-I., & Orhant, P. (1997). On the control of finite-dimensional mechanical systems with unilateral constraints. IEEE Transactions on Automatic Control, 42(2), 200-215. doi:10.1109/9.554400Brogliato, B. (1999). Nonsmooth Mechanics. Communications and Control Engineering. doi:10.1007/978-1-4471-0557-2Armstrong, B., & Wade, B. A. (2000). Nonlinear PID Control with Partial State Knowledge: Damping without Derivatives. The International Journal of Robotics Research, 19(8), 715-731. doi:10.1177/02783640022067120Controlling contact transition. (1994). IEEE Control Systems, 14(1), 25-30. doi:10.1109/37.257891Seraji, H. (1998). Nonlinear and Adaptive Control of Force and Compliance in Manipulators. The International Journal of Robotics Research, 17(5), 467-484. doi:10.1177/027836499801700501Volpe, R., & Khosla, P. (1993). A theoretical and experimental investigation of explicit force control strategies for manipulators. IEEE Transactions on Automatic Control, 38(11), 1634-1650. doi:10.1109/9.262033A nonlinear PD controller for force and contact transient control. (1995). IEEE Control Systems, 15(1), 15-21. doi:10.1109/37.341859Seraji, H., & Colbaugh, R. (1997). Force Tracking in Impedance Control. The International Journal of Robotics Research, 16(1), 97-117. doi:10.1177/027836499701600107Armstrong, B., Neevel, D., & Kusik, T. (2001). New results in NPID control: Tracking, integral control, friction compensation and experimental results. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 9(2), 399-406. doi:10.1109/87.91139

Adjusting the parameters of the mechanical impedance for velocity, impact and force control

This work is dedicated to the analysis of the application of active impedance control for the realisation of three objectives simultaneously: velocity regulation in free motion, impact attenuation and finally force tracking. At first, a brief analysis of active impedance control is made, deducing the value of each parameter in order to achieve the three objectives. It is demonstrated that the system may be made overdamped with the adequate selection of the parameters if the characteristics of the environment are known, avoiding high overshoots of force during the impact. The second and most important contribution of this work is an additional measure for impact control in the case when the characteristics of the environment are unknown. It consists in switching among different values of the parameters of the impedance in order to dissipate faster the energy of the system, limiting the peaks of force and avoiding losses of contact. The optimal switching criteria are deduced for every parameter in order to dissipate the energy of the system as fast as possible. The results are verified in simulation. © 2011 Cambridge University Press.The authors want to express their gratitude to the Plan Nacional de I+D, Comision Interministerial de Ciencia y Tecnologia (FEDER-CICYT) for the partial financing of this work under the projects DPI2009-13830-C02-01 and DPI2010-20814-C02-02.Zotovic Stanisic, R.; Valera Fernández, Á. (2012). Adjusting the parameters of the mechanical impedance for velocity, impact and force control. Robotica. 30(4):10-25. doi:10.1017/S0263574711000725S1025304Siciliano, B., Sciavicco, L., Villani, L., & Oriolo, G. (2009). Robotics. Advanced Textbooks in Control and Signal Processing. doi:10.1007/978-1-84628-642-1Zotovic Stanisic, R., & Valera Fernández, Á. (2009). Simultaneous velocity, impact and force control. Robotica, 27(7), 1039-1048. doi:10.1017/s0263574709005451Seraji, H., & Colbaugh, R. (1997). Force Tracking in Impedance Control. The International Journal of Robotics Research, 16(1), 97-117. doi:10.1177/027836499701600107Hogan, N. (1985). Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part I—Theory. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 107(1), 1-7. doi:10.1115/1.3140702A nonlinear PD controller for force and contact transient control. (1995). IEEE Control Systems, 15(1), 15-21. doi:10.1109/37.341859Brogliato, B., Niculescu, S.-I., & Orhant, P. (1997). On the control of finite-dimensional mechanical systems with unilateral constraints. IEEE Transactions on Automatic Control, 42(2), 200-215. doi:10.1109/9.554400Tsuji, T., & Tanaka, Y. (2008). Bio-mimetic impedance control of robotic manipulator for dynamic contact tasks. Robotics and Autonomous Systems, 56(4), 306-316. doi:10.1016/j.robot.2007.09.001Impact modeling and control for industrial manipulators. (1998). IEEE Control Systems, 18(4), 65-71. doi:10.1109/37.710879Ott, C., Albu-Schaffer, A., Kugi, A., & Hirzinger, G. (2008). On the Passivity-Based Impedance Control of Flexible Joint Robots. IEEE Transactions on Robotics, 24(2), 416-429. doi:10.1109/tro.2008.915438Brogliato, B. (1999). Nonsmooth Mechanics. Communications and Control Engineering. doi:10.1007/978-1-4471-0557-2Edwards, C. (1998). Sliding Mode Control. doi:10.1201/9781498701822Armstrong, B. S. R., Gutierrez, J. A., Wade, B. A., & Joseph, R. (2006). Stability of Phase-Based Gain Modulation with Designer-Chosen Switch Functions. The International Journal of Robotics Research, 25(8), 781-796. doi:10.1177/0278364906067543Ziren Lu, & Goldenberg, A. A. (1995). Robust Impedance Control and Force Regulation: Theory and Experiments. The International Journal of Robotics Research, 14(3), 225-254. doi:10.1177/027836499501400303Controlling contact transition. (1994). IEEE Control Systems, 14(1), 25-30. doi:10.1109/37.257891Armstrong, B., Neevel, D., & Kusik, T. (2001). New results in NPID control: Tracking, integral control, friction compensation and experimental results. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 9(2), 399-406. doi:10.1109/87.911392Volpe, R., & Khosla, P. (1993). A Theoretical and Experimental Investigation of Impact Control for Manipulators. The International Journal of Robotics Research, 12(4), 351-365. doi:10.1177/02783649930120040

Learning Task Constraints from Demonstration for Hybrid Force/Position Control

We present a novel method for learning hybrid force/position control from demonstration. We learn a dynamic constraint frame aligned to the direction of desired force using Cartesian Dynamic Movement Primitives. In contrast to approaches that utilize a fixed constraint frame, our approach easily accommodates tasks with rapidly changing task constraints over time. We activate only one degree of freedom for force control at any given time, ensuring motion is always possible orthogonal to the direction of desired force. Since we utilize demonstrated forces to learn the constraint frame, we are able to compensate for forces not detected by methods that learn only from the demonstrated kinematic motion, such as frictional forces between the end-effector and the contact surface. We additionally propose novel extensions to the Dynamic Movement Primitive (DMP) framework that encourage robust transition from free-space motion to in-contact motion in spite of environment uncertainty. We incorporate force feedback and a dynamically shifting goal to reduce forces applied to the environment and retain stable contact while enabling force control. Our methods exhibit low impact forces on contact and low steady-state tracking error.Comment: Under revie

Uniform derivation of Coulomb collisional transport thanks to Debye shielding

The effective potential acting on particles in plasmas being essentially the Debye-shielded Coulomb potential, the particles collisional transport in thermal equilibrium is calculated for all impact parameters $b$, with a convergent expression reducing to Rutherford scattering for small $b$. No cutoff at the Debye length scale is needed, and the Coulomb logarithm is only slightly modified.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1210.1546, arXiv:1310.309

Regularities of hydromechanical amber extraction from sandy deposits

Purpose is to analyze the efficiency of hydromechanical amber extraction from sandy deposits relying upon the determined regularities concerning the effect of parameters while carrying out a series of laboratory tests and full-scale experiments. Methods. Laboratory tests and full-scale experiments (Volodymyrets amber-bearing deposit, village of Berezhnytsia) were carried out to analyze effect of the parameters of a hydromechanical technique on the velocity of amber extraction. The experiments also involved studies of occurrence medium; in this context, boiling process was modeled; and factors and parameters effecting suspense medium formation were researched. Methods of mathematical statistics were applied to obtain dependences describing mining parameters effect on amber extraction velocity. Findings. Basic parameters of hydromechanical technique, effecting amber extraction velocity, have been determined. Efficient values of air supply to provide maximum velocity of amber floating have been identified. Mathematical dependences, determining amber floating velocity depending upon air supply and mechanical effect frequency, have been obtained. In this context, amber production capacity is 90 to 95%. Basic parameters effecting amber mining (i.e. environmental density; amplitude of oscillations and their frequency; and water and air supply to sandy deposit of amber-bearing sand) have been defined. Originality. It has been first proved that amber floating velocity is of polynomial nature dependence upon environmental density where extremum is with 0.004 – 0.006 m3/h air supply value; amber extraction experiences 2 – 3 times intensification, if environmental density (ρc) is 1670 – 1750 kg/m3, oscillation frequency is 26 – 36 Hz, amplitude is A = 1.0 – 2.4 mm, and air supply is qa = 0.004 – 0.006 m3/h. In this context, amber floating (v) is 0.09 – 0.12 m/s. If air supply is more than qa = 0.020 m3/h, amber extraction process stops. It has been first obtained polynomial dependence of amber flotation on oscillation frequency of operating device as well as on air supply to rock mass. Practical implications. The determined regularities of hydromechanical amber extraction from amber-bearing sand help make calculations, and select facilities for hydromechanical amber mining.Мета. Дослідження ефективності процесу гідромеханічного вилучення бурштину з піщаних покладів на основі встановлених закономірностей впливу параметрів шляхом проведення серії лабораторних та натурних експериментів. Методика. Експериментальним шляхом в лабораторних та польових умовах (Володимирецьке бурштино-вмісне родовище, с. Бережниця) проведено дослідження впливу параметрів гідромеханічного способу вилучення на швидкість підняття бурштину. При проведенні експериментальних досліджень вивчалось середовище залягання, при цьому проводилось моделювання процесу кипіння й дослідження факторів і параметрів, що впливають на створення суспензного середовища. Із використанням методів математичної статистики отримано залежності, що описують вплив параметрів вилучення на швидкість підняття бурштину. Результати. Визначено основні параметри гідромеханічного методу, що впливають на швидкість вилучення бурштину. Встановлено раціональні значення величини подачі повітря для забезпечення максимальної швидкості спливання бурштину. Отримано математичні залежності, що визначають швидкість спливання залежно від по-дачі повітря та частоти механічного впливу, при цьому рівень видобутку бурштину сягає 90 – 95%. Визначені основні параметри, які впливають на інтенсивність підняття бурштину на денну поверхню, – густина середовища, амплітуда та частота коливань, подача води й повітря у піщане родовище бурштиновмісного піску. Наукова новизна. Вперше доведено, що швидкість спливання бурштину має поліноміальний характер залежності від густини середовища з екстремумом при величині подачі повітря 0.004 – 0.006 м3/год, а вилучення бурштину інтенсифікується у 2 – 3 рази при густині робочого середовища (ρc) 1670 – 1750 кг/м3, частоті коливання 26 – 36 Гц, амплітуді А = 1.0 – 2.4 мм, подачі повітря qa = 0.004 – 0.006 м3/год, при цьому швидкість спливання бурштину (v) рівна 0.09 – 0.12 м/с, а при збільшенні подачі повітря понад 0.020 м3/год процес вилучення бурштину припиняється. Вперше отримано поліноміальну залежність швидкості спливання бурштину від частоти коливань робочого органу та подачі повітря в масив. Практична значимість. Визначені закономірності гідромеханічного вилучення бурштину із бурштиновмісних пісків дозволяють проводити розрахунок та обирати обладнання для проведення гідромеханічного видобутку бурштину.Цель. Исследование эффективности процесса гидромеханического извлечения янтаря из песчаных залежей на основе установленных закономерностей влияния параметров путем проведения серии лабораторных и натурных экспериментов. Методика. Экспериментальным путем в лабораторных и полевых условиях (Владимирецкое янтарное месторождение, с. Бережница) проведено исследование влияния параметров гидромеханического способа извлечения на скорость всплытия янтаря. При проведении экспериментальных исследований изучалась среда залегания, при этом проводилось моделирование процесса кипения и исследование факторов и параметров, влияющих на создание суспензионной среды. С использованием методов математической статистики получены зависимости, описывающие влияние параметров извлечения на скорость всплытия янтаря. Результаты. Определены основные параметры гидромеханического способа, влияющие на скорость извлечения янтаря. Установлены рациональные значения величины подачи воздуха для обеспечения максимальной скорости всплытия янтаря. Получены математические зависимости, определяющие скорость всплытия в зависимости от подачи воздуха и частоты механического воздействия, при этом уровень добычи янтаря достигает 90 – 95%. Определены основные параметры, влияющие на интенсивность всплытия янтаря на дневную поверхность, – плотность среды, амплитуда и частота колебаний, подача воды и воздуха в песчаное месторождение янтарного песка. Научная новизна. Впервые доказано, что скорость всплытия янтаря имеет полиномиальный характер зависимости от плотности среды с экстремумом при величине подачи воздуха 0.004 – 0.006 м3/ч, а извлечение янтаря интенсифицируется в 2 – 3 раза при плотности рабочей среды (ρc) 1670 – 1750 кг/м3, частоте колебания 26 – 36 Гц, амплитуде А = 1.0 – 2.4 мм, подачи воздуха qa = 0.004 – 0.006 м3/ч, при этом скорость всплытия янтаря (v) равна 0.09 – 0.12 м/с, а при увеличении подачи воздуха более 0.020 м3/час процесс извлечения янтаря завершается. Впервые получена полиномиальная зависимость скорости всплытия янтаря от частоты колебаний рабочего органа и от подачи воздуха в массив. Практическая значимость. Установленные закономерности гидромеханического извлечения янтаря с янтарных песков позволяют производить расчет и выбирать оборудование для проведения гидромеханической добычи янтаря.The studies have been carried out on the basis of the National University of Water and Environmental Engineering (town of Rivne), and with the participation of the experts from “Ukrainska Heolohichna Kompania” SE (Volyn Surveying Company, town of Kovel). The authors express thanks to a Vice-Rector for Research of the National University of Water and Environmental Engineering, Doctor of Ecological Sciences N.B. Savina for the opportunity to perform the research using laboratory equipment of the University, and to the authorities of “Ukrainska Heolohichna Kompania” SE for joint research within Volodymyrets amber-bearing deposit (a village of Bereznytsia)

Dynamic analysis of Apollo-Salyut/Soyuz docking

The use of a docking-system computer program in analyzing the dynamic environment produced by two impacting spacecraft and the attitude control systems is discussed. Performance studies were conducted to determine the mechanism load and capture sensitivity to parametric changes in the initial impact conditions. As indicated by the studies, capture latching is most sensitive to vehicle angular-alinement errors and is least sensitive to lateral-miss error. As proved by load-sensitivity studies, peak loads acting on the Apollo spacecraft are considerably lower than the Apollo design-limit loads