Optimally Controlling the Timing of Energy Transfer in Elastic Joints: Experimental Validation of the Bi-Stiffness Actuation Concept

Elastic actuation taps into elastic elements' energy storage for dynamic motions beyond rigid actuation. While Series Elastic Actuators (SEA) and Variable Stiffness Actuators (VSA) are highly sophisticated, they do not fully provide control over energy transfer timing. To overcome this problem on the basic system level, the Bi-Stiffness Actuation (BSA) concept was recently proposed. Theoretically, it allows for full link decoupling, while simultaneously being able to lock the spring in the drive train via a switch-and-hold mechanism. Thus, the user would be in full control of the potential energy storage and release timing. In this work, we introduce an initial proof-of-concept of Bi-Stiffness-Actuation in the form of a 1-DoF physical prototype, which is implemented using a modular testbed. We present a hybrid system model, as well as the mechatronic implementation of the actuator. We corroborate the feasibility of the concept by conducting a series of hardware experiments using an open-loop control signal obtained by trajectory optimization. Here, we compare the performance of the prototype with a comparable SEA implementation. We show that BSA outperforms SEA 1) in terms of maximum velocity at low final times and 2) in terms of the movement strategy itself: The clutch mechanism allows the BSA to generate consistent launch sequences while the SEA has to rely on lengthy and possibly dangerous oscillatory swing-up motions. Furthermore, we demonstrate that providing full control authority over the energy transfer timing and link decoupling allows the user to synchronously release both elastic joint and gravitational energy. This facilitates the optimal exploitation of elastic and gravitational potentials in a synergistic manner.Comment: 8 pages, 9 figures. Submitted to IEEE Robotics and Automation Letter

The ILIAD Safety Stack: Human-Aware Infrastructure-Free Navigation of Industrial Mobile Robots

Safe yet efficient operation of professional service robots within logistics or production in human-robot shared environments requires a flexible human-aware navigation stack. In this manuscript, we propose the ILIAD safety stack comprising software and hardware designed to achieve safe and efficient motion specifically for industrial vehicles with nontrivial kinematics The stack integrates five interconnected layers for autonomous motion planning and control to enable short- and long-term reasoning. The use-case scenario tested requires an autonomous industrial forklift to safely navigate among pick-and-place locations during normal daily activities involving human workers. Our test-bed in the real world consists of a three-day experiment in a food distribution warehouse. The evaluation is extended in simulation with an ablation study of the impact of different layers to show both the practical and the performance-related impact. The experimental results show a safer and more legible robot when humans are nearby with a trade-off in task efficiency, and that not all layers have the same degree of impact in the system

Trajectory planning and control of cable-driven parallel robots

The aim of this work is to investigate on trajectory planning and control of cable-driven parallel robots to improve the system performance. Stiffness and dexterity are the performance indices widely used in design and control of robotic systems. No previous work on adaptive cable-driven systems has discussed how to control the position of the pulley blocks to achieve optimal dexterity and stiffness. Considering a quasi-static motion of the end-effector, we neglected the active stiffness of the system and proposed pulley blocks trajectory planning strategies that maximize dexterity and elastic stiffness indices simultaneously for some cases of adaptive cable-driven designs by taking advantage of the increased redundancy. For non-adaptive design of cable-driven parallel robots, it is impossible to change the dexterity and elastic stiffness indices for a certain position of end-effector due to fixed orientation and length of cables; however, active stiffness can be modified by changing the tension in cables. Tension increment can be desirable due to stiffness augmentation, higher trajectory tracking performance, more precise motion and disturbance rejection; however, it can increase power consumption, and saturation in actuators may occur. Usually, cable tension distribution methods work based on a fixed minimum tension in cables. Such values are chosen through experiments to gain the desired trajectory tracking performance of the system, considering capability of actuators at the same time. To improve the system performance we proposed Dynamic Minimum Tension Control (DMTC) method. In this approach, the minimum tension is changing on-the-fly according to stiffness, dynamics of the system, and error values as feedback. We used a simple test bed to compare traditional fixed minimum tension utilization, and the proposed approach. Experimental results showed that the DMTC is more efficient than traditional approaches in terms of accuracy and energy consumption. Also an appropriate control algorithm can improve the system performance. The linear quadratic optimal control can play an important role in controlling cable-driven parallel robots by providing all the states of the system for the feedback, including velocity and position, in addition to optimal results. A linear quadratic optimal controller was designed and tested. The significant experimental results are presented and discussed.L’obiettivo di questo progetto è di investigare la pianificazione di traiettoria ed il controllo di robot paralleli a cavi al fine di migliorare le prestazioni del sistema. Rigidezza e destrezza sono indici di prestazione ampiamente utilizzati del progetto e controllo di sistemi robotici. Allo stato dell’arte, non esistono lavori relativi a sistemi a cavi adattativi riguardanti il controllo della posizione delle pulegge per ottenere indici di rigidezza e destrezza ottimali. Considerando un moto quasi-statico dell’organo terminale e trascurando la rigidezza attiva del sistema, è stato possibile proporre strategie di pianificazione di moto delle pulegge che massimizzino gli indici di destrezza e rigidezza elastica. E’ stato possibile massimizzare simultaneamente tali indici per alcuni casi di robot a cavi adattativi sfruttando la ridondanza dei sistemi analizzati. Per il progetto di robot a cavi paralleli non adattativi, è impossibile cambiare gli indici di destrezza e di rigidezza elastica per una certa posizione dell’organo terminale a causa dell’orientazione e della lunghezza dei cavi fissata; comunque, la rigidezza attiva può essere modificata cambiando la tensione dei cavi. L’incremento della tensione dei cavi può essere desiderabile a causa dell’aumento di rigidezza, del miglioramento delle prestazioni di inseguimento di traiettoria, più precisamente movimento e risposta ai disturbi; tuttavia, può aumentare il consumo energetico e portare a saturazione gli attuatori. Tipicamente i metodi di distribuzione delle tensioni operano mantenendo costante il valore di tensione minimo da applicare ai cavi. Tali valori sono scelti attraverso esperimenti per raggiungere le prestazioni di inseguimento della traiettoria desiderata, considerando anche le capacità degli attuatori. Per migliorare le prestazioni del sistema, viene proposto un metodo dinamico di controllo delle tensioni minime (DMTC). In questo approccio è possibile variare la tensione minima in tempo reale sulla base della rigidezza, della dinamica del sistema e del valore dell’errore ottenuto come feedback. Attraverso un semplice apparato sperimentale, è stato possibile confrontare il metodo tradizionale di distribuzione delle tensioni basato sulla tensione minima fissa ed il metodo proposto. I risultati sperimentali hanno mostrato che il metodo Dinamico di Controllo delle Tensioni Minime risulta più efficiente rispetto all'approccio tradizionale in termini di accuratezza e consumo energetico. Inoltre, un appropriato algoritmo di controllo può migliorare le prestazioni del sistema. Il controllo ottimo lineare quadratico riveste un ruolo fondamentale nel controllo di un robot a cavi parallelo fornendo tutti gli stati del sistema per la retroazione, incluse velocità e posizione, in aggiunta ai risultati ottimali. Un controllo ottimo lineare quadratico è stato progettato e testato. I risultati significativi sono quindi stati presentati e discussi

Trajectory planning and control of cable-driven parallel robots

The aim of this work is to investigate on trajectory planning and control of cable-driven parallel robots to improve the system performance. Stiffness and dexterity are the performance indices widely used in design and control of robotic systems. No previous work on adaptive cable-driven systems has discussed how to control the position of the pulley blocks to achieve optimal dexterity and stiffness. Considering a quasi-static motion of the end-effector, we neglected the active stiffness of the system and proposed pulley blocks trajectory planning strategies that maximize dexterity and elastic stiffness indices simultaneously for some cases of adaptive cable-driven designs by taking advantage of the increased redundancy. For non-adaptive design of cable-driven parallel robots, it is impossible to change the dexterity and elastic stiffness indices for a certain position of end-effector due to fixed orientation and length of cables; however, active stiffness can be modified by changing the tension in cables. Tension increment can be desirable due to stiffness augmentation, higher trajectory tracking performance, more precise motion and disturbance rejection; however, it can increase power consumption, and saturation in actuators may occur. Usually, cable tension distribution methods work based on a fixed minimum tension in cables. Such values are chosen through experiments to gain the desired trajectory tracking performance of the system, considering capability of actuators at the same time. To improve the system performance we proposed Dynamic Minimum Tension Control (DMTC) method. In this approach, the minimum tension is changing on-the-fly according to stiffness, dynamics of the system, and error values as feedback. We used a simple test bed to compare traditional fixed minimum tension utilization, and the proposed approach. Experimental results showed that the DMTC is more efficient than traditional approaches in terms of accuracy and energy consumption. Also an appropriate control algorithm can improve the system performance. The linear quadratic optimal control can play an important role in controlling cable-driven parallel robots by providing all the states of the system for the feedback, including velocity and position, in addition to optimal results. A linear quadratic optimal controller was designed and tested. The significant experimental results are presented and discussed.L’obiettivo di questo progetto è di investigare la pianificazione di traiettoria ed il controllo di robot paralleli a cavi al fine di migliorare le prestazioni del sistema. Rigidezza e destrezza sono indici di prestazione ampiamente utilizzati del progetto e controllo di sistemi robotici. Allo stato dell’arte, non esistono lavori relativi a sistemi a cavi adattativi riguardanti il controllo della posizione delle pulegge per ottenere indici di rigidezza e destrezza ottimali. Considerando un moto quasi-statico dell’organo terminale e trascurando la rigidezza attiva del sistema, è stato possibile proporre strategie di pianificazione di moto delle pulegge che massimizzino gli indici di destrezza e rigidezza elastica. E’ stato possibile massimizzare simultaneamente tali indici per alcuni casi di robot a cavi adattativi sfruttando la ridondanza dei sistemi analizzati. Per il progetto di robot a cavi paralleli non adattativi, è impossibile cambiare gli indici di destrezza e di rigidezza elastica per una certa posizione dell’organo terminale a causa dell’orientazione e della lunghezza dei cavi fissata; comunque, la rigidezza attiva può essere modificata cambiando la tensione dei cavi. L’incremento della tensione dei cavi può essere desiderabile a causa dell’aumento di rigidezza, del miglioramento delle prestazioni di inseguimento di traiettoria, più precisamente movimento e risposta ai disturbi; tuttavia, può aumentare il consumo energetico e portare a saturazione gli attuatori. Tipicamente i metodi di distribuzione delle tensioni operano mantenendo costante il valore di tensione minimo da applicare ai cavi. Tali valori sono scelti attraverso esperimenti per raggiungere le prestazioni di inseguimento della traiettoria desiderata, considerando anche le capacità degli attuatori. Per migliorare le prestazioni del sistema, viene proposto un metodo dinamico di controllo delle tensioni minime (DMTC). In questo approccio è possibile variare la tensione minima in tempo reale sulla base della rigidezza, della dinamica del sistema e del valore dell’errore ottenuto come feedback. Attraverso un semplice apparato sperimentale, è stato possibile confrontare il metodo tradizionale di distribuzione delle tensioni basato sulla tensione minima fissa ed il metodo proposto. I risultati sperimentali hanno mostrato che il metodo Dinamico di Controllo delle Tensioni Minime risulta più efficiente rispetto all'approccio tradizionale in termini di accuratezza e consumo energetico. Inoltre, un appropriato algoritmo di controllo può migliorare le prestazioni del sistema. Il controllo ottimo lineare quadratico riveste un ruolo fondamentale nel controllo di un robot a cavi parallelo fornendo tutti gli stati del sistema per la retroazione, incluse velocità e posizione, in aggiunta ai risultati ottimali. Un controllo ottimo lineare quadratico è stato progettato e testato. I risultati significativi sono quindi stati presentati e discussi

Stress Testing for Default Probabilities in Banking Industry; An Application of Credit Portfolio Approach

Because of prevalence of non-performing loans in Iranian banking sector, it is important to estimate the default probability of borrowers in order to effectively manage credit risk. This paper conducts stress testing for default probabilities in banking industry of Iran. We apply the credit portfolio approach model developed by Wilson (1997) and analyze the impacts of various macroeconomic shocks on default rates of banks. In the constructed model, we first estimate the effects of macroeconomics variables on default rate. Then the dynamic relationship between selected macroeconomics variables is estimated by a VAR model. Residuals obtained in the two previous steps were used to construct the covariance matrix for system of equations. Finally, using the Monte-Carlo method, a path of default probabilities is simulated in a one-year horizon under different scenarios. We compare default rates under different stress scenarios with baseline scenario to identify the effects of different shocks. The results of simulation show that unemployment rate shock has been the most harmful factor for default probabilities, followed by exchange rates shock. A shock to GDP growth also affects default rates significantly. Inflation shock generates the least important effect on default rates, consistent with the insignificant coefficient of inflation rate in the estimated default probability equation. A simultaneous shock to all macroeconomic variables has higher impact on the default rates in lower tails than upper tails. The results also show the effects of shocks decrease with the passage of time