<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Neurorobot.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Neurorobotics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Neurorobot.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">1662-5218</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fnbot.2017.00043</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Neuroscience</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Impedance Control for Robotic Rehabilitation: A Robust Markovian Approach</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Jutinico</surname> <given-names>Andres L.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/423327/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Jaimes</surname> <given-names>Jonathan C.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/423303/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Escalante</surname> <given-names>Felix M.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/423302/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Perez-Ibarra</surname> <given-names>Juan C.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/423310/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Terra</surname> <given-names>Marco H.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/423330/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Siqueira</surname> <given-names>Adriano A. G.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/423340/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Robotic Rehabilitation Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Center for Robotics of S&#x000E3;o Carlos, University of S&#x000E3;o Paulo</institution> <country>S&#x000E3;o Paulo, Brazil</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Intelligent Systems Laboratory, Department of Electrical Engineering, Center for Robotics of S&#x000E3;o Carlos, University of S&#x000E3;o Paulo</institution> <country>S&#x000E3;o Paulo, Brazil</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Jan Veneman, Tecnalia, Spain</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Thomas Sugar, Arizona State University, United States; Yongping Pan, National University of Singapore, Singapore</p></fn>
<fn fn-type="corresp" id="fn001"><p>&#x0002A;Correspondence: Andres L. Jutinico <email>ajutinico&#x00040;usp.br</email></p></fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>24</day>
<month>08</month>
<year>2017</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2017</year>
</pub-date>
<volume>11</volume>
<elocation-id>43</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>16</day>
<month>03</month>
<year>2017</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>07</day>
<month>08</month>
<year>2017</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2017 Jutinico, Jaimes, Escalante, Perez-Ibarra, Terra and Siqueira.</copyright-statement>
<copyright-year>2017</copyright-year>
<copyright-holder>Jutinico, Jaimes, Escalante, Perez-Ibarra, Terra and Siqueira</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract><p>The human-robot interaction has played an important role in rehabilitation robotics and impedance control has been used in the regulation of interaction forces between the robot actuator and human limbs. Series elastic actuators (SEAs) have been an efficient solution in the design of this kind of robotic application. Standard implementations of impedance control with SEAs require an internal force control loop for guaranteeing the desired impedance output. However, nonlinearities and uncertainties hamper such a guarantee of an accurate force level in this human-robot interaction. This paper addresses the dependence of the impedance control performance on the force control and proposes a control approach that improves the force control robustness. A unified model of the human-robot system that considers the ankle impedance by a second-order dynamics subject to uncertainties in the stiffness, damping, and inertia parameters has been developed. Fixed, resistive, and passive operation modes of the robotics system were defined, where transition probabilities among the modes were modeled through a Markov chain. A robust regulator for Markovian jump linear systems was used in the design of the force control. Experimental results show the approach improves the impedance control performance. For comparison purposes, a standard <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force controller based on the fixed operation mode has also been designed. The Markovian control approach outperformed the <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> control when all operation modes were taken into account.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>robotic rehabilitation</kwd>
<kwd>impedance control</kwd>
<kwd><italic>H</italic><sub>&#x0221E;</sub></kwd>
<kwd>Markovian jump linear systems</kwd>
<kwd>series elastic actuators</kwd>
<kwd>robust control</kwd>
<kwd>force control</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="12"/>
<table-count count="3"/>
<equation-count count="58"/>
<ref-count count="39"/>
<page-count count="16"/>
<word-count count="8472"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>Physical therapy represents a well-accepted procedure for improvements in the recovery of human motor function and promotion of higher performance in Activities of Daily Life (ADLs) (Krebs et al., <xref ref-type="bibr" rid="B21">2008</xref>). Mainly when people have been affected by injuries such as stroke (Hatano, <xref ref-type="bibr" rid="B15">1976</xref>) and Multiple Sclerosis (MS) (Cattaneo et al., <xref ref-type="bibr" rid="B6">2002</xref>). Robotic-assisted therapy is a promising field for the development of rehabilitation tasks. Among the advantages offered by robotic devices are uniformity in the repetition of long-time routines, reliable records of measured variables, and motivation for the patient&#x00027;s participation using interactive environments like serious games (Lum et al., <xref ref-type="bibr" rid="B25">2002</xref>; Chang and Kim, <xref ref-type="bibr" rid="B8">2013</xref>; Gon&#x000E7;alves et al., <xref ref-type="bibr" rid="B14">2014</xref>). However, the fact that these robots interact with humans during therapeutic movement, they require a high degree of security and reliability. Therefore, rehabilitation robots should identify activities performed by the patient to reach only pre-defined training objectives, whose principle is known as <italic>Assist-as-Needed Paradigm</italic> (Radomski and Trombly, <xref ref-type="bibr" rid="B32">2013</xref>).</p>
<p>Impedance control has been used in the implementation of this kind of paradigm in rehabilitation robotic systems. It was initially proposed for manipulator robots to obtain a safe physical interaction with the environment (Hogan, <xref ref-type="bibr" rid="B16">1985</xref>). Such a controller aims at establishing a dynamic relationship between the force and velocity of an actuator. Series elastic actuators (SEA) provide a simple and efficient solution for the implementation of impedance controllers (Calanca et al., <xref ref-type="bibr" rid="B5">2016</xref>). However, the impedance control of SEAs requires an explicit force control loop whose performance is sensitive to uncertainties and time-varying human dynamics.</p>
<p>Colgate and Hogan (<xref ref-type="bibr" rid="B11">1988</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">1989</xref>) addressed the problem of interaction control and analyzed the energy exchange between a robotic system and its environment, defined as passive. They also determined stability criteria for a coupled system. Some years later this analysis was brought into the context of human-robot interaction considering three new issues: (1) Human dynamics is now the environment; (2) This dynamics can exhibit passive and active behaviors; and, (3) The stability criterion has been reformulated as complementary stability (Buerger and Hogan, <xref ref-type="bibr" rid="B3">2007</xref>). Such new concepts emphasize the way the human dynamics is taken into account. For example, Vallery et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B36">2008</xref>) analyzed limits of coupled stability and performance of an SEA actuator for rehabilitation applications considering the human dynamics a spring and damping system. Kong et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B20">2009</xref>) analyzed those limits considering the human dynamics only as a mass (inertia). In Oh and Kong (<xref ref-type="bibr" rid="B27">2017</xref>), the human dynamics was considered as stiffness, damping, and inertia. Li et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B23">2017</xref>) proposed an adaptive control scheme for SEA-driven robots which consider two operation modes in the adaptation process, namely robot-in-charge and human-in-charge. Similar approaches were proposed in Yu et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B38">2015</xref>) and Pan et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B28">2017</xref>), however, the authors did not take into account the fact the human-robot system can be modeled by different operation modes related to abrupt changes in the dynamic behavior.</p>
<p>This paper reports on the implementation of an impedance controller in a robotic platform for ankle rehabilitation based on a Markovian approach. The platform uses an SEA and enables plantarflexion and dorsiflexion movements. The following three operation modes that may occur in the robot-human interaction were defined: (1) fixed mode, in which the platform is mechanically fixed; (2) resistive mode, in which the user makes efforts against the platform movement; and (3) passive mode, in which the user does not make any effort against the platform movement. Such operation modes are modeled as states of a Markov chain. Based on this modeling, a recursive robust regulator for discrete Markov jump linear systems (RR-DMJLS) proposed in Cerri and Terra (<xref ref-type="bibr" rid="B7">2017</xref>) is designed to regulate the force control. It guarantees mean square stability and optimal performance for this class of stochastic system (Jutinico et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2017</xref>). In order to check the effectiveness of the approach, we performed a comparative study with a standard <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force controller proposed in P&#x000E9;rez-Ibarra et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B31">2017</xref>) which is designed based only on the higher-impedance operation mode (fixed). Although this control approach provides robust stability for the whole system, including all operation modes, its performance was outperformed by RR-DMJLS. We present actual results based on force- and impedance-control for both controllers.</p>
<p>The paper is organized as follows: Section 2 introduces the SEA-based robotic platform and its respective dynamic model; Section 3 describes the design of the robust controllers; Section 4 reports experimental results of a comparative study between the controllers; finally, Section 5 provides the conclusions and some final remarks for future work.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2. System description and modeling</title>
<p>The SEA-based Robotic Platform for Ankle Rehabilitation (SRPAR), Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>, is a device for robot-assisted training. It works under two conditions: guidance of a physiotherapist during pre-established dorsi/plantarflexion movements of the ankle and active participation of the patient by using serious games. Both conditions benefit individuals who have suffered a stroke. Also, the platform is a tool to evaluate the ankle force and range of movement (Gon&#x000E7;alves et al., <xref ref-type="bibr" rid="B13">2013</xref>).</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>SEA-based Robotic Platform for Ankle Rehabilitation (SRPAR). <bold>(A)</bold> Platform (Gon&#x000E7;alves et al., <xref ref-type="bibr" rid="B14">2014</xref>). <bold>(B)</bold> Squematic model.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0001.tif"/>
</fig>
<p>The platform uses a DC motor (Maxon Motor RE 40, graphite brushes, 150 Watt DC motor) linked to a ballscrew through a belt and pulleys with 2:1 reduction ratio. A recirculating ballscrew nut converts the rotational motion of the screw in a linear motion. A pair of steel springs is attached to the nut and to a movable piece. When the motor is driven, the nut moves forward or backward compressing the springs. The movable part is connected to a kinematic chain which converts linear force into torque which is transferred to the user. We estimate the nut&#x00027;s position by measuring the motor rotation with a magneto-resistant incremental encoder. Finally, we estimate the spring force by measuring the spring deformation. A logarithmic sliding potentiometer is attached to the movable piece located between the springs. The potentiometer&#x00027;s cursor moves along with the piece generating a voltage proportional to the spring deformation.</p>
<sec>
<title>2.1. Transfer function model</title>
<p>In order to describe the dynamic behavior of the system, we define three sub-systems in the SRPAR: motor-transmission system, series elastic element, and human-load system (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1B</xref>). A set of assumptions is made to simplify the dynamic modeling, resulting in a linear model for the SRPAR. Although these simplifications can result in a limited model, mainly due to the presence of nonlinearities, the use of robust controllers to deal with uncertain parameters can improve the performance of the system.</p>
<p>Concerning the motor-transmission sub-system, although some studies deal with only the effect of the inertia in the motor model (Vallery et al., <xref ref-type="bibr" rid="B36">2008</xref>; Calanca et al., <xref ref-type="bibr" rid="B4">2014</xref>), in this paper we also consider the influence of the motor damping. The effects of the inertia and damping parameters of the pulley and ballscrew are also considered as in Yu et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B39">2013</xref>) and dos Santos et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B12">2015</xref>). In addition, the nonlinear effects of friction, backslash, and efficiency losses in the motor-transmission system are minimized by controlling the motor velocity instead of directly controlling the motor torque or current, as discussed in Wyeth (<xref ref-type="bibr" rid="B37">2006</xref>).</p>
<p>Regarding the series elastic configuration, in Petit et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B29">2015</xref>) is presented a generic model for robotic systems with variable stiffness. They describe the output torque of the actuator by a nonlinear function that depends on the joint deflection and mechanical stiffness variation of the springs. In this paper, the springs are modeled as constant stiffness and operate in a linear region. Since the human limb is attached to the four-bar mechanism of the SRPAR, rotation of the ankle is transformed into a linear movement in the same direction of the spring force by a nonlinear Jacobian. However, due to a small range of allowed movements related to mechanical constraints of the SRPAR, this transformation is approximated by a linear relationship (see Equation 6). The gravity effects on the human foot are also neglected since the distance between the foots center of gravity and the rotation axis of the platform is small.</p>
<p>Different approaches have been proposed to model the dynamics of the human-load sub-system. For example, Tagliamonte and Accoto (<xref ref-type="bibr" rid="B35">2014</xref>) used a set of second-order plants to represent human dynamics in order to implement an impedance controller where passivity concepts are explored. In Lee et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B22">2016</xref>), similar second-order models are used to measure the ankle mechanical impedance in a unified way. In this paper, we model the human dynamics as a set of second-order linear plants subject to parameter uncertainties.</p>
<p>In the following, we present a transfer function between the commanded motor velocity <inline-formula><mml:math id="M4"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and the spring force <italic>F</italic><sub><italic>s</italic></sub>.</p>
<sec>
<title>2.1.1. Dynamics of the motor-transmission system</title>
<p>Motor-transmission can be modeled as a second-order control system,</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>X</italic><sub><italic>w</italic></sub> denotes the displacement of ball screw nut, <italic>M</italic><sub><italic>meq</italic></sub> and <italic>B</italic><sub><italic>meq</italic></sub> are respectively the equivalent inertia and damping of the system as defined in Equation (2), and <italic>F</italic><sub><italic>meq</italic></sub> is the output force as defined in Equation (3),</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M7"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>In Equations (2) and (3), <italic>M</italic><sub><italic>t</italic></sub> and <italic>B</italic><sub><italic>t</italic></sub> are the mass and damping of the ball screw nut, <italic>J</italic> and <italic>C</italic> are torsional inertia and damping where subscripts <sub><italic>m</italic></sub> and <sub><italic>p</italic></sub> stand for motor and pulley, respectively. <italic>N</italic><sub><italic>p</italic></sub> is the pulley ratio, <inline-formula><mml:math id="M8"><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is a rotational-to-linear factor where <italic>l</italic> is the ball screw lead. <italic>K</italic><sub><italic>t</italic></sub> is the motor constant, <italic>i</italic><sub><italic>m</italic></sub> is the motor current determined by the inner velocity control of the motor, and <italic>K</italic><sub><italic>p</italic></sub> and <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub> are the proportional and integral gains of the controller; &#x003C9;<sub><italic>m</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="M9"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are actual and desired motor velocities, respectively.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.1.2. Dynamics of the human-load system</title>
<p>Dynamics of the human ankle is modeled by a second-order system with inertia, damping and stiffness parameters given by:</p>
<disp-formula id="E4"><label>(4)</label><mml:math id="M10"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003D5;<sub><italic>l</italic></sub> denotes the angular position of the ankle, &#x003C4; is the torque, <sub><italic>plat</italic></sub> and <sub><italic>h</italic></sub> stand for platform and human being, and <italic>G</italic><sub><italic>l</italic></sub>(&#x003D5;<sub><italic>l</italic></sub>) represents the gravitational effects. <italic>J</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x0003D; <italic>J</italic><sub><italic>plat</italic></sub> &#x0002B; <italic>J</italic><sub><italic>h</italic></sub> and <italic>C</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x0003D; <italic>C</italic><sub><italic>plat</italic></sub> &#x0002B; <italic>C</italic><sub><italic>h</italic></sub> are the equivalent inertia and damping of the sub-system, respectively, and <italic>K</italic><sub><italic>h</italic></sub> is the ankle stiffness.</p>
<p>The linear displacement of the load, <italic>X</italic><sub><italic>l</italic></sub>, is expressed in terms of the angular movement of the human ankle joint &#x003D5;<sub><italic>l</italic></sub>, by:</p>
<disp-formula id="E5"><label>(5)</label><mml:math id="M11"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mtext>sin&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mtext>cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>l</italic><sub>1</sub>, <italic>l</italic><sub>2</sub>, <italic>l</italic><sub>3</sub>, and <italic>h</italic> are known distances of the platform (see Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1B</xref>). Based on linear and angular load velocities, we compute the following Jacobian:</p>
<disp-formula id="E6"><label>(6)</label><mml:math id="M12"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mtext>cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mtext>cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mtext>sin&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mtext>cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;where&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Since we are considering a small range of allowed movements, approximately |&#x003D5;<sub><italic>l</italic></sub>| &#x0003C; 0.35 rad, this equation can be simplified by <inline-formula><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. As aforementioned the distance between the foot&#x00027;s center of gravity and the rotation axis of the platform is small, in this case we can neglect the gravitational effect <italic>G</italic><sub><italic>l</italic></sub>(&#x003D5;<sub><italic>l</italic></sub>). Hence, from Equations (4) and (6), the dynamics of the human-load system is given by:</p>
<disp-formula id="E7"><label>(7)</label><mml:math id="M14"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>M</italic><sub><italic>l</italic></sub>, <italic>B</italic><sub><italic>l</italic></sub>, and <italic>K</italic><sub><italic>l</italic></sub> are respectively equivalent inertia, damping and stiffness of the human-load system, defined by:</p>
<disp-formula id="E8"><label>(8)</label><mml:math id="M15"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>2.1.3. Dynamics of the series elastic actuator</title>
<p>Taking the Laplace transform of Equations (1) and (7), and solving for <italic>X</italic><sub><italic>w</italic></sub> and <italic>X</italic><sub><italic>l</italic></sub>, we obtain:</p>
<disp-formula id="E9"><label>(9)</label><mml:math id="M16"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;and&#x000A0;&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We make use of the Hooke&#x00027;s Law to define output spring force <italic>F</italic><sub><italic>s</italic></sub>:</p>
<disp-formula id="E10"><label>(10)</label><mml:math id="M17"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>From Equations (9) and (10), we have:</p>
<disp-formula id="E11"><label>(11)</label><mml:math id="M18"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0205F;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>Z</italic><sub><italic>meq</italic></sub> &#x0003D; <italic>M</italic><sub><italic>meq</italic></sub><italic>s</italic> &#x0002B; <italic>B</italic><sub><italic>meq</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> are the mechanical impedances of the motor-transmission and human-load system, respectively. Finally, the spring force <italic>F</italic><sub><italic>s</italic></sub>(<italic>s</italic>) is expressed as a function of the desired motor velocity <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and human torque &#x003C4;<sub><italic>h</italic></sub>, as:</p>
<disp-formula id="E12"><label>(12)</label><mml:math id="M21"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0205F;</mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>thus, the system dynamics is defined by the transfer functions <italic>G</italic><sub><italic>n</italic></sub>(s) and <italic>G</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>s</italic>), given by:</p>
<disp-formula id="E13"><label>(13)</label><mml:math id="M22"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E14"><label>(14)</label><mml:math id="M23"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M24"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. The nominal SEA model is obtained fixing the output load making <italic>X</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x0003D; 0 (Robinson et al., <xref ref-type="bibr" rid="B33">1999</xref>; dos Santos et al., <xref ref-type="bibr" rid="B12">2015</xref>). Thus making <italic>Z</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x02192; &#x0221E; in Equation (13), we obtain a transfer function <italic>G</italic>(<italic>s</italic>) that only considers platform parameters:</p>
<disp-formula id="E15"><label>(15)</label><mml:math id="M25"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>2.2. State space model</title>
<p>Consider again the system shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1B</xref>. In order to simplify the model, the inner velocity loop control allows us to model the motor as a pure velocity source; therefore the torque of the motor &#x003C4;<sub><italic>m</italic></sub> is given by:</p>
<disp-formula id="E16"><label>(16)</label><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and, in consequence,</p>
<disp-formula id="E17"><label>(17)</label><mml:math id="M27"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>From Equations (1) and (17), and taking into account that the angular position of the motor &#x003D5;<sub><italic>m</italic></sub> is described in function of the displacement <italic>X</italic><sub><italic>w</italic></sub> by &#x003D5;<sub><italic>m</italic></sub> &#x0003D; &#x003C1;<italic>N</italic><sub><italic>p</italic></sub><italic>X</italic><sub><italic>w</italic></sub>, we obtain:</p>
<disp-formula id="E18"><label>(18)</label><mml:math id="M28"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;where&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>From Equations (7) and (10), we obtain the following expression:</p>
<disp-formula id="E19"><label>(19)</label><mml:math id="M29"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Using Equations (6), (8), (18), and (19) it is possible to define the following state space representation of the SRPAR-human system:</p>
<disp-formula id="E20"><label>(20)</label><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E21"><label>(21)</label><mml:math id="M31"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi></mml:munder><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mi>C</mml:mi></mml:munder><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mi>D</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>F</italic><sub><italic>s</italic></sub> is the spring force and, &#x003D5;<sub><italic>m</italic></sub> and &#x003D5;<sub><italic>l</italic></sub> are angular positions for motor and load, respectively. The system control input is the motor angular velocity <italic>w</italic><sub><italic>m</italic></sub> and &#x003C4;<sub><italic>h</italic></sub> is the human torque which is considered as an input disturbance.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.3. Experimental validation</title>
<p>In order to validate the proposed theoretical model, we identify the frequency response function (FRF) of the force modeled in Equation (13). We consider in the human-load interaction, three specific operation modes: (1) a fixed mode, in which the platform is fixed in a neutral position, i.e., &#x003D5;<sub><italic>l</italic></sub> &#x02248; 0 and <italic>Z</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x02192; &#x0221E;; (2) a resistive mode, where the human being makes effort against the platform in order to hold it in the neutral position; and (3) a passive mode, when the user leaves the platform leads the movement. For all modes, we apply a desired motor velocity given by a chirp signal with an amplitude of 209.4 rad/s (2,000 rpm) and sweeping frequencies between 0 and 20 Hz (Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>).</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Experimental identification. Frequency response measurements of theoretical (dashed) and experimental (solid) transfer functions between input <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and output <italic>F</italic><sub><italic>s</italic></sub>. Graphs show responses for passive (blue), resistive (red) and fixed (black) modes.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0002.tif"/>
</fig>
<p>Due to variations in the activation level of the muscles acting on the ankle joint, abrupt changes in ankle mechanical impedance are expected. In addition, operation modes defined are properly matched with the phases of human gait pattern. Thus, the fixed mode can be associated with the mid-stance phase; the resistive mode with the initial contact, terminal stance and double support of the stance phase; and the passive mode with the swing phase. Table <xref ref-type="table" rid="T1">1</xref> shows the platform specifications, as well as the human parameters used for each mode and their corresponding lower limits. Parameters for Mode 1 were chosen to satisfy <italic>Z</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x02192; &#x0221E;, in order to obtain similar results to those presented in Robinson et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B33">1999</xref>). For Modes 2 and 3, they were chosen from Lee et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B22">2016</xref>) taking into account the actual human impedance during stance and swing phases of walking, respectively.</p>
<table-wrap-group position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p>Platform and human parameters.</p></caption>
<table-wrap>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead><tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Parameter</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>Value</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>Parameter</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>Value</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>N</italic><sub><italic>p</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">2</td>
<td valign="top" align="center"><italic>J</italic><sub><italic>p</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">0.000055 kg&#x000B7;m<sup>2</sup></td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>l</italic></td>
<td valign="top" align="center">0.0025 <italic>m</italic></td>
<td valign="top" align="center"><italic>C</italic><sub><italic>m</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">0.00287 N &#x000B7; m &#x000B7; s/rad</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M33"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center">0.03 m/rad</td>
<td valign="top" align="center"><italic>J</italic><sub><italic>m</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">0.0000138 kg &#x000B7; m<sup>2</sup></td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>J</italic><sub><italic>plat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">0.0013 kg&#x000B7; m<sup>2</sup></td>
<td valign="top" align="center"><italic>K</italic><sub><italic>s</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">320000 N/m</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>C</italic><sub><italic>plat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">3.5 N&#x000B7;m&#x000B7;s/rad</td>
<td valign="top" align="center"><italic>M</italic><sub><italic>t</italic></sub>, <italic>B</italic><sub><italic>t</italic></sub>, <italic>C</italic><sub><italic>p</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x02248; 0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>K</italic><sub><italic>p</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">30.42 A&#x000B7;s/rad</td>
<td valign="top" align="center"><italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">1.23 A&#x000B7; s/rad</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>K</italic><sub><italic>t</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">0.0302 N&#x000B7;m/A</td>
<td valign="top" align="center"><italic>T</italic><sub><italic>s</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">0.001 s</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead><tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Human parameter</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>Mode 1</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>Mode 2</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>Mode 3</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>Lower limits</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>J</italic><sub><italic>h</italic></sub> (kg&#x000B7; m<sup>2</sup>)</td>
<td valign="top" align="center">50</td>
<td valign="top" align="center">0.08</td>
<td valign="top" align="center">0.02</td>
<td valign="top" align="center">0.0001</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>C</italic><sub><italic>h</italic></sub> (N&#x000B7; m&#x000B7; s/rad)</td>
<td valign="top" align="center">1e5</td>
<td valign="top" align="center">5</td>
<td valign="top" align="center">0.5</td>
<td valign="top" align="center">0.001</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>K</italic><sub><italic>h</italic></sub> (N&#x000B7; m/rad)</td>
<td valign="top" align="center">4e5</td>
<td valign="top" align="center">200</td>
<td valign="top" align="center">20</td>
<td valign="top" align="center">0</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</table-wrap-group>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3. Control approaches</title>
<p>The block diagram of the control system for the SRPAR is presented in Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>. The platform uses an EPOS driver that performs two internal control loops for motor velocity and current. They are based on PI controllers with Kp and Ki gains shown in (see Table <xref ref-type="table" rid="T1">1</xref>). Platform sensors provide data to a signal conditioning block where SRPAR-human system variables are computed. The sampling frequency used in this process is 1 kHz.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Overall control scheme for the SRPAR.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0003.tif"/>
</fig>
<p>In order to ensure an appropriate interaction between human and platform, we implement a standard impedance control configuration for SEAs that uses the following internal force control law:</p>
<disp-formula id="E22"><label>(22)</label><mml:math id="M34"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>F</italic><sub><italic>d</italic></sub> is the desired force computed from a sequence of desired trajectories for load angular position <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and velocity <inline-formula><mml:math id="M36"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. It is determined by the virtual stiffness <italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> and damping <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub>.</p>
<p>We aim to improve the performance and to guarantee the stability of the system for different modes of human activities, where changes among them are modeled as random jumps. In this sense, we design a recursive robust regulator for discrete-time Markov jump linear systems (RR-DMJLS). Disturbances and uncertainties due to human-robot interactions, mainly because of human parameters (inertia, stiffness, and damping), are considered in this control approach. For comparison purposes, we also design an <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force controller that does not take into account these different modes of human activities. We synthesize a fixed-gain controller using a similar approach presented in Mehling and O&#x00027;Malley (<xref ref-type="bibr" rid="B26">2014</xref>) and dos Santos et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B12">2015</xref>). Both controllers are presented in the following.</p>
<sec>
<title>3.1. Recursive RR-DMJLS force control design</title>
<p>In this section, we design a robust force controller for the SRPAR (Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4A</xref>). We present first nominal and uncertain representations for different operation modes of the system. Then, we model the system as a discrete-time Markovian jump linear system (DMJLS). In order to guarantee stability and robust performance, we use the recursive RR-DMJLS algorithm developed in Cerri and Terra (<xref ref-type="bibr" rid="B7">2017</xref>).</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Force control approaches. <bold>(A)</bold> Recursive Robust Regulator for DMJLS: the block &#x0201C;Platform &#x0002B; Human&#x0201D; corresponds to the state variable model in Equation 20, <italic>K</italic><sub><italic>int</italic>,<sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub></sub></sub> and <italic>K</italic><sub><italic>a</italic>,<sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub></sub></sub> are the control gains. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> control configuration of the system: <italic>G</italic><sub><italic>n</italic></sub> is the process plant, P is the augmented plant including the weight functions and <italic>K</italic><sub><italic>c</italic></sub> is the controller.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0004.tif"/>
</fig>
<sec>
<title>3.1.1. Nominal model</title>
<p>Consider the model presented in Equation (20),</p>
<disp-formula id="E23"><label>(23)</label><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for each operation mode &#x003B8; &#x02208; &#x00398;: &#x0003D; {1, &#x02026;, <italic>s</italic>}, where <italic>s</italic> is the number of nominal models, <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are nominal parameter matrices, <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the state vector, <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the input control and <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the input disturbance.</p>
<p>We discretized this model by using <italic>F</italic><sub><italic>a</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub></sub> &#x0003D; <italic>I</italic> &#x0002B; <italic>F</italic><sub><italic>a</italic><sub>&#x003B8;</sub></sub><italic>T</italic><sub><italic>s</italic></sub>&#x003A9;, <italic>B</italic><sub><italic>a</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub></sub> &#x0003D; &#x003A9;<italic>T</italic><sub><italic>s</italic></sub><italic>B</italic><sub><italic>a</italic><sub>&#x003B8;</sub></sub>, and <italic>G</italic><sub><italic>a</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub></sub> &#x0003D; &#x003A9;<italic>T</italic><sub><italic>s</italic></sub><italic>G</italic><sub><italic>a</italic><sub>&#x003B8;</sub></sub>, with <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, where <italic>T</italic><sub><italic>s</italic></sub> &#x0003D; 1 ms is the sample time, for each <italic>k</italic> &#x02208; &#x02124;<sup>&#x0002B;</sup>. To eliminate the steady state error, we augment the model by including an integral action:</p>
<disp-formula id="E24"><label>(24)</label><mml:math id="M47"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>r</italic><sub><italic>k</italic></sub> is a force reference signal and <italic>C</italic><sub><italic>a</italic></sub> &#x0003D; [0 &#x02212; 1 0 0]. <italic>F</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub> and <italic>B</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub> are nominal matrices for three nominal models according to Equation (20), which are based on parameters presented in Table <xref ref-type="table" rid="T1">1</xref>:</p>
<disp-formula id="E25"><label>(25)</label><mml:math id="M48"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>Mode&#x000A0;1:&#x000A0;&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.134</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>3.81</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>219</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.998</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.144</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>&#x0205F;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>55.11</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.036</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E26"><label>(26)</label><mml:math id="M49"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>Mode&#x000A0;2:&#x000A0;&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.898</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4.26</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>7.43</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.998</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.003</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>6.31</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.003</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E27"><label>(27)</label><mml:math id="M50"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>Mode&#x000A0;3:&#x000A0;&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.822</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>13.1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>2.72</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.993</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>&#x02003;&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>10.87</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.005</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>3.1.2. Uncertain model</title>
<p>Consider the system presented in Section 3.1.1 subject to parametric uncertainties given by:</p>
<disp-formula id="E28"><label>(28)</label><mml:math id="M51"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Uncertain matrices &#x003B4;<italic>F</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub> and &#x003B4;<italic>B</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub> are modeled by:</p>
<disp-formula id="E29"><label>(29)</label><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M53"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is a nonzero matrix, <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are known matrices, &#x00394;<sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub> is an arbitrary matrix that satisfies ||&#x00394;<sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub>|| &#x02264; 1. In order to identify matrices <italic>H</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub>, <italic>E</italic><sub><italic>F</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub></sub> and <italic>E</italic><sub><italic>B</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub></sub>, we analyze frequency responses of the nominal and uncertain models described in Equations (24) and (28), where &#x003C4;<sub><italic>h</italic><sub><italic>k</italic></sub></sub> &#x0003D; 0, by:</p>
<disp-formula id="E30"><label>(30)</label><mml:math id="M56"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E31"><label>(31)</label><mml:math id="M57"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. For each operation mode, we compute a transfer function <italic>W</italic><sub><italic>a</italic>, &#x003B8;</sub> in order to satisfy:</p>
<disp-formula id="E32"><label>(32)</label><mml:math id="M59"><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003C3;<sub><italic>G</italic><sub><italic>n</italic><sub>&#x003B8;</sub></sub></sub> and &#x003C3;<sub><italic>G</italic><sub><italic>un</italic><sub>&#x003B8;</sub></sub></sub> are singular values of the nominal and uncertain models, respectively, see Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>. Notice that upper bounds defined by singular values of <italic>W</italic><sub><italic>a</italic>, &#x003B8;</sub> are effective for frequencies until 1.7 Hz for resistive mode and 3.8 Hz for passive mode.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Relative errors and upper bounds. Relative errors between nominal and uncertain models with respect to inputs <italic>u</italic><sub><italic>k</italic></sub> (green) and <italic>r</italic><sub><italic>k</italic></sub> (blue). Graphs also show upper bounds for inputs <italic>u</italic><sub><italic>k</italic></sub> (red) and <italic>r</italic><sub><italic>k</italic></sub> (black).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0005.tif"/>
</fig>
<p>Finally, matrices <italic>H</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub>, <italic>E</italic><sub><italic>F</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub></sub>, and <italic>E</italic><sub><italic>B</italic><sub>&#x003B8;, <italic>k</italic></sub></sub> are found using a genetic algorithm considering Equation (32):</p>
<disp-formula id="E33"><label>(33)</label><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1187</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>10.3</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E34"><label>(34)</label><mml:math id="M61"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.86</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>330.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>&#x0205F;&#x0205F;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>1308</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>118.00</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;Mode&#x000A0;1</mml:mtext><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.43</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>661.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>72</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>4448</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mtext>&#x0205F;&#x0205F;</mml:mtext><mml:mn>59.30</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;Mode&#x000A0;2</mml:mtext><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>0.31</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mtext>&#x0205F;&#x0205F;</mml:mtext><mml:mn>79.4</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>72</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>3768</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mtext>&#x0205F;&#x0205F;</mml:mtext><mml:mn>47.46</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;for&#x000A0;Mode&#x000A0;3</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>3.1.3. Probability matrix</title>
<p>Time transitions among modes defined in Section 2.3 for the system presented in Equation (28) can be modeled by a Markov chain <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, where &#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub> is called the jump parameter and belongs to a finite set &#x00398;: &#x0003D; {1, &#x02026;, <italic>s</italic>}. Transitions among these different modes are determined by a probability matrix for state transitions <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mi>&#x02119;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> where each input must satisfies the following constraints:</p>
<disp-formula id="E35"><label>(35)</label><mml:math id="M64"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mtext>&#x0205F;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mtext>&#x0205F;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>1.</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>&#x02119; is defined heuristically based on empirical observations of the respective operation modes:</p>
<disp-formula id="E36"><label>(36)</label><mml:math id="M65"><mml:mrow><mml:mi>&#x02119;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.95</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.05</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.9</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0.9</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Different intervals for load velocity and position can describe different behaviors of the human-robot system. Namely, if the user is passive (1), resistive (2) or if the platform is fixed (3), &#x003C9;<sub><italic>l</italic></sub> and &#x003D5;<sub><italic>l</italic></sub> provide the jump parameter where,</p>
<disp-formula id="E37"><label>(37)</label><mml:math id="M66"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;if&#x000A0;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;else&#x000A0;if&#x000A0;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;else&#x000A0;if&#x000A0;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for each <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the low-pass filtered signal from load velocity absolute value, with <italic>f</italic><sub><italic>c</italic></sub> &#x0003D; 0.1 Hz and <italic>T</italic><sub><italic>s</italic></sub> &#x0003D; 1 ms, given by:</p>
<disp-formula id="E38"><label>(38)</label><mml:math id="M69"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;with&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Since <italic>w</italic><sub><italic>l</italic><sub><italic>k</italic></sub></sub> is related to the frequency response of the system, the jump parameter &#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub> is also related to the robustness of the regulator. In fact, robust stability and optimal performance is only guaranteed in the interval of frequencies in which relative errors are represented by upper bounds ||&#x003C3;<sub><italic>W</italic><sub><italic>a, i</italic></sub>(<italic>j&#x003C9;</italic>)</sub>|| (Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>).</p>
</sec>
<sec>
<title>3.1.4. RR-DMJLS algorithm</title>
<p>Equation (28) is rewritten as a discrete-time Markov jump linear system subject to parametric uncertainties, by:</p>
<disp-formula id="E39"><label>(39)</label><mml:math id="M70"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;with&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for all <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, where <italic>F</italic><sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic></sub> and <italic>B</italic><sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic></sub> are nominal parameter matrices for each mode given by Equation (25), <italic>x</italic><sub><italic>k</italic></sub> is the state vector, <italic>u</italic><sub><italic>k</italic></sub> is an input control, and &#x003B4;<italic>F</italic><sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic></sub> and &#x003B4;<italic>B</italic><sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic></sub> are uncertain matrices modeled as:</p>
<disp-formula id="E40"><label>(40)</label><mml:math id="M72"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>according to parameters presented in Equations (33) and (34).</p>
<p>Consider the robust control problem to regulate the DMJLS subject to parametric uncertainties defined in Equation (39). The solution for this problem is achieved through the min-max optimization problem:</p>
<disp-formula id="E41"><label>(41)</label><mml:math id="M73"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>min</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for each <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and &#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub> &#x02208; &#x00398;, where <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the uncertain penalized-regularized quadratic functional:</p>
<disp-formula id="E42"><label>(42)</label><mml:math id="M76"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M78"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are defined in Equation (28); <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#x003A8;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>; <italic>P</italic><sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic></sub> is a positive definite matrix; <italic>Q</italic><sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic></sub> and <italic>R</italic><sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic></sub> are semi-definite weighting matrices. The solution to the optimization problem expressed in Equations (41) and (42) that guarantees the optimal state-control sequence <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for a fixed instant <italic>k</italic> and state &#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub>, is given by the following Robust Regulator for Discrete Markov Jump Linear Systems (RR-DMJLS):</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p><bold>Robust Regulator for DMJLS (Cerri and Terra</bold>, <xref ref-type="bibr" rid="B7"><bold>2017</bold></xref><bold>)</bold>.</p></list-item>
<list-item><p><bold>Initial Conditions:</bold> Set <italic>x</italic><sub>0</sub>, &#x003B8;<sub>0</sub>, &#x02119;, <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0227B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, &#x02200;<italic>i</italic> &#x02208; &#x00398;: &#x0003D; {1, &#x02026;, <italic>s</italic>}.</p></list-item>
<list-item><p><bold>Step 1:</bold> (Backward). Calculate for all <inline-formula><mml:math id="M82"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>:
<disp-formula id="E43"><label>(43)</label><mml:math id="M83"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathsize='140%' displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0205F;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mover accent='true'><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
</p></list-item>
<list-item><p><bold>Step 2:</bold> (Forward). Obtain for each <inline-formula><mml:math id="M84"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>:</p>
<p><inline-formula><mml:math id="M85"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
</list>
<p>Equation (43) uses the following auxiliary matrices:</p>
<disp-formula id="E44"><label>(44)</label><mml:math id="M86"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent='true'><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mo>&#x02225;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02225;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In this formulation, &#x003BC; &#x0003E; 0 is a penalty parameter responsible to guarantee the robustness of the RR-DMJLS. In fact, when &#x003BC; &#x02192; &#x0002B;&#x0221E; then <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In consequence, the DMJLS closed-loop response is given by:</p>
<disp-formula id="E45"><label>(45)</label><mml:math id="M88"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>which provides the robust optimal response <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Details of the necessary and sufficient conditions for existence of the mean square stabilizing solution and robustness of this regulator can be found in Cerri and Terra (<xref ref-type="bibr" rid="B7">2017</xref>).</p>
<p>Let &#x003BC; &#x0003D; 9.998 &#x000D7; 10<sup>6</sup> and <inline-formula><mml:math id="M90"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>17</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> in order to satisfy Equations (44) and (45); weighting matrices <italic>R</italic><sub>1, <italic>k</italic></sub> &#x0003D; <italic>R</italic><sub>2,<italic>k</italic></sub> &#x0003D; <italic>R</italic><sub>3,<italic>k</italic></sub> &#x0003D; 1, <italic>Q</italic><sub>1,<italic>k</italic></sub> &#x0003D; <italic>Q</italic><sub>2,<italic>k</italic></sub> &#x0003D; <italic>Q</italic><sub>3,<italic>k</italic></sub> &#x0003D; <italic>I</italic><sub>5</sub> and <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>; and the probability matrix &#x02119; defined in Equation (36). By using the robust regulator presented in Equation (43), we obtain the following control law:</p>
<disp-formula id="E46"><label>(46)</label><mml:math id="M92"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x0205F;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>K</italic><sub><italic>a</italic>,&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub></sub> is the gain to the states <italic>x</italic><sub><italic>a</italic><sub><italic>k</italic></sub></sub> and <italic>K</italic><sub><italic>int</italic>,&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub></sub> is the gain to the state <italic>x</italic><sub><italic>int</italic><sub><italic>k</italic></sub></sub>. Table <xref ref-type="table" rid="T2">2</xref> shows the control gains obtained for three Markovian modes. We do not consider uncertainties in the third term of <italic>E</italic><sub><italic>F</italic><sub><italic>i,k</italic></sub></sub>, as a consequence, the algorithm decouples the state variable &#x003D5;<sub><italic>m</italic></sub> guaranteeing the controllability of the system (see <italic>K</italic><sub>3</sub>).</p>
<table-wrap position="float" id="T2">
<label>Table 2</label>
<caption><p>Control gains.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead><tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Markov modes</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold><italic>K</italic><sub>1</sub></bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold><italic>K</italic><sub>2</sub></bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold><italic>K</italic><sub>3</sub></bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold><italic>K</italic><sub>4</sub></bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold><italic>K</italic><sub><italic>int</italic></sub></bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>Gains</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B8; &#x0003D; 1</td>
<td valign="top" align="center">[&#x02212;0.0073</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;2.787</td>
<td valign="top" align="center">0</td>
<td valign="top" align="center">0</td>
<td valign="top" align="center">11.027 ]</td>
<td valign="top" align="center">&#x0003D; [<italic>K</italic><sub><italic>a</italic>, 1</sub><italic>K</italic><sub><italic>int</italic></sub>]</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B8; &#x0003D; 2</td>
<td valign="top" align="center">[&#x02212;0.0073</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;11.149</td>
<td valign="top" align="center">0</td>
<td valign="top" align="center">1.213</td>
<td valign="top" align="center">74.983 ]</td>
<td valign="top" align="center">&#x0003D; [<italic>K</italic><sub><italic>a</italic>, 2</sub><italic>K</italic><sub><italic>int</italic></sub>]</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B8; &#x0003D; 3</td>
<td valign="top" align="center">[&#x02212;0.0065</td>
<td valign="top" align="center">&#x02212;16.724</td>
<td valign="top" align="center">0</td>
<td valign="top" align="center">1.516</td>
<td valign="top" align="center">79.394 ]</td>
<td valign="top" align="center">&#x0003D; [<italic>K</italic><sub><italic>a</italic>, 3</sub><italic>K</italic><sub><italic>int</italic></sub>]</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Considering the control law presented in Equation (46), the closed-loop response for Equation (28) without considering the disturbance &#x003C4;<sub><italic>h</italic><sub><italic>k</italic></sub></sub>, is given by:</p>
<disp-formula id="E47"><label>(47)</label><mml:math id="M93"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003B4;<italic>F</italic><sub><italic>k</italic></sub> &#x0002B; &#x003B4;<italic>B</italic><sub><italic>k</italic></sub><italic>K</italic><sub>&#x0221E;,<sub>&#x003B8;<sub><italic>k</italic></sub></sub>,<italic>k</italic></sub> &#x0003D; 0 guarantees the robustness of the system according to Equation (45).</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>3.2. <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force control design</title>
<p>Consider the nominal model:</p>
<disp-formula id="E48"><label>(48)</label><mml:math id="M95"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We use a mixed-sensitivity shaping approach <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> to ensure tracking performance and disturbance rejection, and <italic>K</italic><sub><italic>c</italic></sub><italic>S</italic> to limit the control signal (Skogestad and Postlethwaite, <xref ref-type="bibr" rid="B34">2007</xref>). The <inline-formula><mml:math id="M97"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> problem is defined as:</p>
<disp-formula id="E49"><label>(49)</label><mml:math id="M98"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>min</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>&#x02115;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x02115;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>&#x02115;</mml:mi><mml:msub><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mi>max</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:munder><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x02115;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>w</italic><sub><italic>e</italic></sub>(<italic>s</italic>) and <italic>w</italic><sub><italic>u</italic></sub>(<italic>s</italic>) are respectively performance and control weights, <italic>K</italic><sub><italic>c</italic></sub> is a stabilizing controller that bounds &#x02115; by an attenuation level &#x003B3;, and <inline-formula><mml:math id="M99"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02115;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by the usual Euclidean vector norm:</p>
<disp-formula id="E50"><label>(50)</label><mml:math id="M100"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x02115;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:msup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:msup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We define the performance weighting <italic>w</italic><sub><italic>e</italic></sub>(<italic>s</italic>) by:</p>
<disp-formula id="E51"><label>(51)</label><mml:math id="M101"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the maximum steady-state error, <italic>M</italic><sub><italic>s</italic></sub> &#x0003D; 2 dB is the maximum peak of <italic>S</italic>, and &#x003C9;<sub><italic>b</italic></sub> &#x0003D; 10&#x003C0; is related to the close-loop bandwidth. We determine the control input weighting <italic>w</italic><sub><italic>u</italic></sub>(<italic>s</italic>) with</p>
<disp-formula id="E52"><label>(52)</label><mml:math id="M103"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>M</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 523.6 rad/s (5,000 rpm) is the maximum value for <italic>u</italic>. The control system is considered according to Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4B</xref>. Based on Equations (51) and (52), the <inline-formula><mml:math id="M104"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force controller <italic>K</italic><sub><italic>c</italic></sub>(<italic>s</italic>) is obtained:</p>
<disp-formula id="E53"><label>(53)</label><mml:math id="M105"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2.78</mml:mn><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mn>9</mml:mn><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2.18</mml:mn><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mn>12</mml:mn><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>6.95</mml:mn><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mn>13</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>6.95</mml:mn><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>5.52</mml:mn><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mn>6</mml:mn><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3.34</mml:mn><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mn>11</mml:mn><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1.35</mml:mn><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mn>13</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4.3</mml:mn><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Finally, the controller is discretized by using a zero-order hold, with <italic>T</italic><sub><italic>s</italic></sub> &#x0003D; 1 ms,</p>
<disp-formula id="E54"><label>(54)</label><mml:math id="M106"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6.16</mml:mn><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>12.11</mml:mn><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>5.95</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1.96</mml:mn><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>0.96</mml:mn><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4. Experimental results</title>
<p>In order to evaluate the stability and performance of the proposed control approaches, time and frequency response tests are performed with a healthy user for three different operation modes presented in Section 2.3. We show a comparative study of force controllers and impedance controllers, according to Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref>. This study was approved and carried out in accordance with the recommendations of the Ethics Committee of the Federal University of S&#x000E3;o Carlos (Number 26054813.1.0000.5504).</p>
<sec>
<title>4.1. Force controllers</title>
<p>In this section, robust force controllers presented in Section 3, RR-DMJLS and <inline-formula><mml:math id="M107"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, are compared. Two performance criteria are used for this purpose. We consider the rise time <italic>t</italic><sub><italic>r</italic></sub> and a normalized mean error between spring and desired forces defined as</p>
<disp-formula id="E55"><label>(55)</label><mml:math id="M108"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mi>&#x00025;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>N</italic> &#x0003D; 8/<italic>T</italic><sub><italic>s</italic></sub> is the number of samples.</p>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref> shows time responses of the system using the RR-DMJLS force controller. In these experiments, three different levels (100, 0, and &#x02212; 100 N) of desired forces, <italic>F</italic><sub><italic>d</italic></sub>, are set during a total time of <italic>T</italic> &#x0003D; 8 s. In tests performed for fixed and resistive modes, shown in Figures <xref ref-type="fig" rid="F6">6A,B</xref>, the Markovian modes remained constant. Notice in the test shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6C</xref>, the Markov chain changes between Modes 2 and 3. The RR-DMJLS responses are similar for three modes available, maintaining an appropriate tracking despite natural differences between human and robot dynamics. Notice that <italic>t</italic><sub><italic>r</italic></sub> are similar to the respective desired force levels and the mean errors <italic>e</italic><sub><italic>qc</italic></sub> are 14.24, 11.97, and 11.9%, for tests shown in Figures <xref ref-type="fig" rid="F6">6A&#x02013;C</xref>, respectively.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Recursive RR-DMJLS force controller. <bold>(A)</bold> Fixed mode. <bold>(B)</bold> Resistive mode. <bold>(C)</bold> Resistive and passive modes. For each operation mode, graphs show desired (black) and actual (blue) spring forces (top), and Markov chains (bottom).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0006.tif"/>
</fig>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref> shows the force control response of the RR-DMJLS while tracking a sinusoidal force reference. In this experiment, the user is asked to be resistive to the movement of the platform during the first fifteen seconds, and then to remain passive during the next fifteen seconds. We observe that force control maintains a similar response despite the abrupt change in the human dynamics (resistive &#x02192; passive). Notice that jumps between Markovian states reflect time transitions between different operation modes of the system. However, for a condition where the operation modes change more frequently, these transitions would be detected with a certain delay. We hypothesize that this delay is related to the jump parameter identification method considered (Equation 37). It could be improved by estimating alternative variables. For example, the stiffness and damping parameters of the human being.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>Recursive RR-DMJLS force controller. Force response (solid), sinusoidal force reference (dashed) with a change of operation mode (top). Markov chain (bottom).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0007.tif"/>
</fig>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref> presents time responses of the system using the <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force control approach. In this case, also are applied three different levels of desired forces <italic>F</italic><sub><italic>d</italic></sub> in <italic>T</italic> &#x0003D; 8 s, for each operation mode: fixed, resistive, and passive. The rise time <italic>t</italic><sub><italic>r</italic></sub> is lower for fixed and resistive modes in comparison with the passive mode. The mean errors obtained for fixed, resistive and passive modes were 5.89, 8.23, and 23.29%, respectively. Comparing mean errors between both controllers, we obtain better performance for the <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force controller for the fixed mode. For the passive mode, the RR-DMJLS provides better performance. However, when we design the <inline-formula><mml:math id="M111"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> control based on the passive mode, it does not stabilize the system when it is operating in the fixed mode. An advantage of the RR-DMJLS is the uniformity of performance obtained for the whole system.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Time response of the system with <inline-formula><mml:math id="M112"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force controller.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0008.tif"/>
</fig>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F9">9</xref> shows frequency responses of the closed-loop system using the <inline-formula><mml:math id="M113"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and recursive RR-DMJLS force controllers. For passive and resistive modes, we apply a desired force signal given by a chirp signal with amplitude of 100 N, sweeping frequencies between 0 and 8 Hz. Some indexes for both controllers are compared. For the <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force controller, shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F9">9A</xref>, we have: maximum magnitude during passive mode, |<italic>G</italic><sub><italic>fp</italic></sub>|<sub><italic>max</italic></sub> &#x0003D; &#x02212;1.6 dB, and resistive mode, |<italic>G</italic><sub><italic>fr</italic></sub>|<sub><italic>max</italic></sub> &#x0003D; 0.86 dB; bandwidth for passive mode, <italic>B</italic><sub><italic>w</italic><sub><italic>fp</italic><sub>&#x02212;3<italic>dB</italic></sub></sub></sub> &#x0003D; 0.2 Hz, and bandwidth for resistive mode, <italic>B</italic><sub><italic>w</italic><sub><italic>fr</italic><sub>&#x02212;3<italic>dB</italic></sub></sub></sub> &#x0003D; 1.39 Hz; phase at cut-off frequency for passive mode, <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and for resistive mode, <inline-formula><mml:math id="M116"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. For the frequency response of the RR-DMJLS shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F9">9B</xref>, we obtain: |<sub><italic>G</italic><sub><italic>fp</italic></sub>|<italic>max</italic></sub> &#x0003D; 0.9 dB; |<sub><italic>G</italic><sub><italic>fr</italic></sub>|<italic>max</italic></sub> &#x0003D; 0.32 dB; <italic>B</italic><sub><italic>w</italic><sub><italic>fp</italic><sub>&#x02212;3<italic>dB</italic></sub></sub></sub> &#x0003D; 1.2 Hz; <italic>B</italic><sub><italic>w</italic><sub><italic>fr</italic><sub>&#x02212;3<italic>dB</italic></sub></sub></sub> &#x0003D; 1.5 Hz; <inline-formula><mml:math id="M117"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>; and <inline-formula><mml:math id="M118"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Notice that the bandwidth of the closed-loop system is greater for the RR-DMJLS controller.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>Figure 9</label>
<caption><p>Frequency closed-loop response of the system with force control. <bold>(A)</bold> <inline-formula><mml:math id="M119"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force control. <bold>(B)</bold> Recursive RR-DMJLS force control. Graphs show responses for passive (blue) and resistive (red) modes.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0009.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>4.2. Impedance control</title>
<p>To obtain the RR-DMJLS force control response during impedance controlled movements, we perform two experiments in which the system must track a kinematic reference. In both cases, the user was asked to be resistive during first ten seconds and then to be passive during the next ten seconds. Figure <xref ref-type="fig" rid="F10">10A</xref> shows the force and impedance control for a pure stiffness control configuration and Figure <xref ref-type="fig" rid="F10">10B</xref> a stiffness-damping control configuration. Notice that the torque tracking performance is similar for two modes in spite of the transition between them. Regarding the passive case, the position tracking is better for the pure-stiffness configuration. However, since this configuration has no damping parameter, the velocity tracking is worse. We can include a damping coefficient. However, it can decrease the performance of the position tracking. Thus, there exists a compromise between these control objectives that must be considered by the assistance strategy. Regarding the Markovian states, notice that increasing <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> it reduces the velocity of the system and enforces the system to remain in the same Markovian state, Figure <xref ref-type="fig" rid="F10">10B</xref>.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>Figure 10</label>
<caption><p>Impedance control with inner RR-DMJLS force control. Torque and impedance control responses for: <bold>(A)</bold> <italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 15 N&#x000B7;m/rad and <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0 N&#x000B7;m&#x000B7;s/rad, and <bold>(B)</bold> <italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 15 N&#x000B7;m/rad and <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5 N&#x000B7;m&#x000B7;s/rad. Graphs show desired (blue) and measured (red) values for the platform torque (top), angular position of the ankle joint (middle-top), angular velocity of the ankle joint (middle-bottom); and Markov chain (bottom).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0010.tif"/>
</fig>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F11">11</xref> shows time responses using the impedance control with the inner <inline-formula><mml:math id="M120"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force control loop, for <italic>K</italic> &#x0003D; 15 N&#x000B7;m/rad, following a sinusoidal trajectory for ankle angular position. In this case, the user is asked to remain passive during the first ten seconds, and then to be resistive during the next ten seconds. Results show that the torque tracking performance is worse when the human being is in passive mode.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>Figure 11</label>
<caption><p>Impedance control with inner <inline-formula><mml:math id="M121"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force control. Graphs show desired (blue) and measured (red) values for the platform torque, &#x003C4;<sub><italic>plat</italic></sub> (top), and angular position of the ankle joint (bottom).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0011.tif"/>
</fig>
<p>In order to quantify the performance achieved by the proposed controllers, we compute the real stiffness and damping parameters of the system. For this purpose, we calculate the torque &#x003C4;<sub><italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub> generated by the virtual stiffness <italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> and the torque &#x003C4;<sub><italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub> generated by the virtual damping <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> with</p>
<disp-formula id="E56"><label>(56)</label><mml:math id="M122"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;and&#x000A0;&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M123"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the angular position error and <inline-formula><mml:math id="M124"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the angular velocity error. We compute the root mean square (RMS) errors of the measured variables in the experiments shown in Figures <xref ref-type="fig" rid="F10">10</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F11">11</xref>. The RMS of the angular error &#x003D5;<sub><italic>e</italic></sub> is given by:</p>
<disp-formula id="E57"><label>(57)</label><mml:math id="M125"><mml:mrow><mml:mtext>RMS</mml:mtext><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>N</italic> &#x0003D; 10/<italic>T</italic><sub><italic>s</italic></sub> is the number of samples in each test (passive or resistive). In a similar way, we calculate RMS values for angular velocity error &#x003C9;<sub><italic>e</italic></sub>, torque generated by virtual stiffness &#x003C4;<sub><italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub>, and damping &#x003C4;<sub><italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub>. Notice that, when <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0 then &#x003C4;<sub><italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub> &#x0003D; 0 and &#x003C4;<sub><italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub> &#x0003D; &#x003C4;<sub><italic>plat</italic></sub>. Actual stiffness <italic>K</italic><sub><italic>r</italic></sub> and damping <italic>B</italic><sub><italic>r</italic></sub> are given by:</p>
<disp-formula id="E58"><label>(58)</label><mml:math id="M126"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mtext>RMS</mml:mtext><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>RMS</mml:mtext><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;and&#x000A0;&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mtext>RMS</mml:mtext><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>RMS</mml:mtext><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>see Table <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref>. The error between the virtual stiffness and the actual stiffness are calculated, <italic>e</italic><sub><italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub> &#x0003D; |(<italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x02212; <italic>K</italic><sub><italic>r</italic></sub>)/<italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub>|100% and the error between the virtual damping and the actual damping, <italic>e</italic><sub><italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub> &#x0003D; |(<italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x02212; <italic>B</italic><sub><italic>r</italic></sub>)/<italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub>|100%. We compare results of the impedance control with <italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 15 Nm/rad and <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0 Nms/rad. Impedance control with RR-DMJLS presents higher stiffness accuracy in both passive and resistive modes, 15.28 Nm/rad and 16.13 Nm/rad, respectively. With <inline-formula><mml:math id="M127"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> controller, it provides 16.44 Nm/rad in passive mode and 7 Nm/rad in resistive mode. Stiffness errors <italic>e</italic><sub><italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub> of the RR-DMJLS force control are smaller than the <inline-formula><mml:math id="M128"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force control. This difference can be seen in the passive mode (&#x003B8; &#x0003D; 3), where the <italic>e</italic><sub><italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub> error of the <inline-formula><mml:math id="M129"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is approximately seven times greater than the RR-DMJLS. In the test with <italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 15N&#x000B7;m/ rad and <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5N&#x000B7;m&#x000B7;s/ rad, the performance is preserved.</p>
<table-wrap position="float" id="T3">
<label>Table 3</label>
<caption><p>Experimental measurements of the system stiffness and damping.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="center" colspan="3"><bold>Test with inner <inline-formula><mml:math id="M130"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>force control</bold>,</bold> <italic><bold>K</bold></italic><sub><bold><italic><bold>v</bold></italic></bold></sub> <bold>&#x0003D; 15 and</bold> <bold>B</bold><sub><bold><italic><bold>v</bold></italic></bold></sub> <bold>&#x0003D; 0</bold>.</th>
<th valign="top" align="center" colspan="2"><bold>Test with inner</bold> <italic><bold>RR</bold></italic><bold>-</bold> <italic><bold>DMJLS</bold></italic> <bold>force control</bold>, <italic><bold>K</bold></italic><sub><bold><italic><bold>v</bold></italic></bold></sub> <bold>&#x0003D; 15 and</bold> <italic><bold>B</bold></italic><sub><bold><italic><bold>v</bold></italic></bold></sub> <bold>&#x0003D; 0</bold>.</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td/>
<td valign="top" align="center"><italic>K</italic><sub><italic>r</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>e</italic><sub><italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>K</italic><sub><italic>r</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>e</italic><sub><italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub></td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B8;</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M131"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center">(%)</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M132"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center">(%)</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">2</td>
<td valign="top" align="center">16.44</td>
<td valign="top" align="center">9.60</td>
<td valign="top" align="center">15.28</td>
<td valign="top" align="center">1.86</td>
</tr>
<tr style="border-bottom: thin solid #000000;">
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="center">7.00</td>
<td valign="top" align="center">53.33</td>
<td valign="top" align="center">16.13</td>
<td valign="top" align="center">7.53</td>
</tr>
<tr style="border-bottom: thin solid #000000;">
<td valign="top" align="center" colspan="5"><bold>Test with inner</bold> <italic><bold>RR</bold></italic><bold>-</bold><italic><bold>DMJLS</bold></italic> <bold>force control</bold>, <italic><bold>K</bold></italic><sub><italic><bold>v</bold></italic></sub> <bold>&#x0003D; 15 and</bold> <italic><bold>B</bold></italic><sub><italic><bold>v</bold></italic></sub> <bold>&#x0003D; 5</bold>.</td>
</tr>
<tr>
<td/>
<td valign="top" align="center"><italic>K</italic><sub><italic>r</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>e</italic><sub><italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>B</italic><sub><italic>r</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>e</italic><sub><italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub></sub></td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B8;</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M133"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center">(%)</td>
<td valign="top" align="center"><inline-formula><mml:math id="M134"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td valign="top" align="center">(%)</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">2</td>
<td valign="top" align="center">15.38</td>
<td valign="top" align="center">2.53</td>
<td valign="top" align="center">4.86</td>
<td valign="top" align="center">2.80</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">3</td>
<td valign="top" align="center">15.91</td>
<td valign="top" align="center">6.06</td>
<td valign="top" align="center">4.70</td>
<td valign="top" align="center">6.00</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F12">12</xref> shows the frequency response for the impedance which is measured between output torque and angular position error. For passive and resistive modes, we apply a desired angular position trajectory given by a chirp signal with amplitude 0.2 rad, sweeping frequencies between 0 and 8 Hz. In these experiments, impedance controller is defined as pure stiffness configuration; therefore, magnitude of the impedance should be almost constant. Notice that it is guaranteed only until 1 Hz. Figure <xref ref-type="fig" rid="F12">12A</xref> shows the behavior of the RR-DMJLS-based impedance control. Figure <xref ref-type="fig" rid="F12">12B</xref> shows the frequency response for the <inline-formula><mml:math id="M135"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>-based impedance control. Notice for this controller that the performance decreases when the system operates in the passive mode. We can see that the RR-DMJLS is a more resilient impedance control if compared with <inline-formula><mml:math id="M136"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>-based control for different operating modes and desired impedances.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>Figure 12</label>
<caption><p>Frequency response for the measured impedance, <inline-formula><mml:math id="M137"><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">J</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and force error, |<italic>F</italic><sub><italic>s</italic></sub>/<italic>F</italic><sub><italic>d</italic></sub> &#x02212; 1| &#x000B7; 100%, for <italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 15, <italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5 and <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0. <bold>(A)</bold> Inner recursive RR-DMJLS force control. <bold>(B)</bold> Inner <inline-formula><mml:math id="M138"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force control.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-11-00043-g0012.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5. Discussion and conclusions</title>
<p>The model-based robust force control approach was evaluated in a robotic platform for ankle rehabilitation, improving its impedance control performance. First, the robot-human dynamics was modeled considering the ankle impedance a second-order system with inertia, stiffness, and damping parameters. Since we do not have exact knowledge of the human parameters, our system is subject to parametric uncertainties and we have defined three operation modes related to the human-robot activity whose time transitions were modeled via a Markov chain. For comparison purposes, an <inline-formula><mml:math id="M139"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force controller was also evaluated. Although it can guarantee coupled stability, the force control performance decreases when the system is in the passive operation mode. We have also designed and implemented an RR-DMJLS for dealing with abrupt changes and system uncertainties by guaranteeing robust mean square stability of the system. Experimental results show RR-DMJLS outperformed the <inline-formula><mml:math id="M140"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force controller.</p>
<sec>
<title>5.1. Related work</title>
<p>The impedance control configuration used is based on Hogan (<xref ref-type="bibr" rid="B16">1985</xref>) and it is aimed at the regulation of the dynamical behavior in the interaction port by variables that do not depend on the environment. The actuator together with the controller are modeled as an impedance, <italic>Z</italic><sub><italic>r</italic></sub>, with velocity inputs (angular) and force outputs (torque). The environment is considered an admittance, <italic>Y</italic><sub><italic>e</italic></sub>, in the interaction port. Colgate and Hogan (<xref ref-type="bibr" rid="B11">1988</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">1989</xref>) presented sufficient conditions for the determination of stability of two coupled systems and explained how two physically coupled systems with <italic>Z</italic><sub><italic>r</italic></sub> and <italic>Y</italic><sub><italic>e</italic></sub> with passive port functions can guarantee stability. These concepts have been useful for the implementation of interaction controls for almost three decades. The stability of two coupled systems is given by <italic>Z</italic><sub><italic>r</italic></sub> and <italic>Y</italic><sub><italic>e</italic></sub> eigenvalues and the performance is evaluated by through the impedance <italic>Z</italic><sub><italic>r</italic></sub>.</p>
<p>Buerger and Hogan (<xref ref-type="bibr" rid="B3">2007</xref>) described a methodology in which an interaction control is designed for a robot module used for rehabilitation purposes. They considered an environment with restricted uncertain characteristics, therefore the admittance is rewritten as <italic>Y</italic><sub><italic>e</italic></sub>(<italic>s</italic>) &#x0003D; <italic>Y</italic><sub><italic>n</italic></sub>(<italic>s</italic>) &#x0002B; <italic>W</italic>(<italic>s</italic>)&#x00394;(<italic>s</italic>). The authors also used a second-order dynamics to model the stiffness, damping, and inertia of the human parameters. Complementary stability for interacting systems was defined, where stability is determined by an environment subject to uncertainties. Therefore, a coupled stability problem is considered a robust stability problem.</p>
<p>Regarding the human modeling, the dynamic properties of the lower limbs and muscular activities vary considerably among subjects. This is relevant since SRPAR has been designed for users that suffer diseases that affect the human motor control system, e.g., stroke and other conditions that cause hemiplegia. Typically, such diseases change stiffness and damping in the ankle and knee joints, hence producing spasticity or hypertonia (Lin et al., <xref ref-type="bibr" rid="B24">2006</xref>; Chow et al., <xref ref-type="bibr" rid="B9">2012</xref>). Therefore, the development of a control strategy that guarantees a safe interaction between patient and platform, mainly in virtue of uncertainties related to the human being, is fundamental.</p>
<p>Li et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B23">2017</xref>) and Pan et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B28">2017</xref>) proposed adaptive control schemes for SEA-driven robots. They considered two operation modes in the adaptation process, namely robot-in-charge and human-in-charge, which are close related to the passive and resistive operation modes, respectively, proposed in this paper. However, the control adaptation is based on changes in the desired position input of the SEA controller and estimation of coordinate accelerations through nonlinear filtering.</p>
<p>In human-robot interaction control systems, the efficiency of the force actuator operation deserves special attention. Although SEAs are characterized by a low output impedance, an important requirement for improving such efficiency is the achievement of a precise and proportional output torque with respect to the desired input. Pratt (<xref ref-type="bibr" rid="B30">2002</xref>), Au et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B1">2006</xref>), Kong et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B20">2009</xref>), Mehling and O&#x00027;Malley (<xref ref-type="bibr" rid="B26">2014</xref>), and dos Santos et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B12">2015</xref>) developed force controllers for ankle actuators using SEA. In this paper, we proposed a force control methodology that can deal with system uncertainties and guarantee robust mean square stability. Similar performance was obtained in different tests performed. Accuracies of 98.14% for resistive mode and 92.47% for passive mode were obtained in the pure stiffness configuration. In the stiffness-damping configuration, with <italic>K</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 15 and <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, the accuracy obtained in the resistive case was of 97.47% for stiffness and 97.2% for damping, and in the passive case was of 93.94% for stiffness and 94% for damping.</p>
<p>On the contrary, using a fixed-gain control approach based on <inline-formula><mml:math id="M141"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> synthesis, the performance was not similar among operation modes. We showed that this strategy can guarantee coupled stability; nevertheless, force control performance decreases when the system is in the passive operation mode. This is reflected in the impedance control accuracy for the pure stiffness configuration, falling from 90.4% in the resistive mode to 46.67% in the passive mode.</p>
</sec>
<sec>
<title>5.2. Shortcomings and possible improvements</title>
<p>In order to control the SRPAR, we proposed a methodology to force control based on RR-DMJLS. It considers a discrete-time Markovian model with three states associated with the operating modes of the system. The model was augmented for eliminating the steady state error through the inclusion of an integral action. We also found appropriate uncertain matrices considering frequency responses for relative errors between perturbed and nominal models.</p>
<p>Regarding the observation of the operation modes, in Figure <xref ref-type="fig" rid="F10">10A</xref> there exists a delay in the jump identification from resistive to passive mode, and in Figure <xref ref-type="fig" rid="F10">10B</xref> the proposed jump identification method was not even able to identify the jump between modes. This behavior is directly related to virtual damping <italic>B</italic><sub><italic>v</italic></sub> selected since load angular velocity <inline-formula><mml:math id="M142"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is lower than 2 rad/s. A possible solution to the problem is the estimation of the virtual stiffness and damping of the human being for the definition of the bounds of the identification method.</p>
<p>Based on our observations of the system behavior, we have defined a probability matrix &#x02119; that models those transitions among different modes. We hypothesize the probabilities may vary in function of the user&#x00027;s physiological conditions, therefore, our probability matrix can be considered partially or completely uncertain. In a future study, we aim at using our methodology subject to uncertain transition probabilities with the unknown Markov chain proposed in Bortolin and Terra (<xref ref-type="bibr" rid="B2">2016</xref>).</p>
<p>Other approaches may improve our methodology. For example, a disturbance observer, as proposed in Kong et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B20">2009</xref>), could compensate the effect of human torque &#x003C4;<sub><italic>h</italic></sub> in Equations (14) and (20). Optimal robust filter for DMJLS (Ishihara et al., <xref ref-type="bibr" rid="B18">2015</xref>) and extended robust Kalman filter proposed in Inoue et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B17">2016</xref>) could better estimate the states of the SRPAR.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>AJ, JJ, FE, and JP conceived research, performed the experiments and the data analysis, drafted the manuscript, and coded the controllers. MT and AS participated in the design of the controllers and in the draft of the manuscript. All authors read and approved the final manuscript.</p>
<sec>
<title>Conflict of interest statement</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Au</surname> <given-names>S. K.</given-names></name> <name><surname>Dilworth</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Herr</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>An ankle-foot emulation system for the study of human walking biomechanics</article-title>, in <source>Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006</source> (<publisher-loc>Orlando, FL</publisher-loc>), <fpage>2939</fpage>&#x02013;<lpage>2945</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bortolin</surname> <given-names>D. C.</given-names></name> <name><surname>Terra</surname> <given-names>M. H.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Recursive robust regulator for markovian jump linear systems subject to uncertain transition probabilities with unknown markov chain</article-title>, in <source>2016 IEEE Conference on Control Applications (CCA)</source>, <fpage>774</fpage>&#x02013;<lpage>779</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/CCA.2016.7587912</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Buerger</surname> <given-names>S. P.</given-names></name> <name><surname>Hogan</surname> <given-names>N.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Complementary stability and loop shaping for improved human ndash;robot interaction</article-title>. <source>IEEE Trans. Robot.</source> <volume>23</volume>, <fpage>232</fpage>&#x02013;<lpage>244</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TRO.2007.892229</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Calanca</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Capisani</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Fiorini</surname> <given-names>P.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Robust force control of series elastic actuators</article-title>. <source>Actuators</source> <volume>3</volume>, <fpage>182</fpage>&#x02013;<lpage>204</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/act3030182</pub-id></citation></ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Calanca</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Muradore</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Fiorini</surname> <given-names>P.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>A review of algorithms for compliant control of stiff and fixed-compliance robots</article-title>. <source>IEEE/ASME Trans. Mechatr.</source> <volume>21</volume>, <fpage>613</fpage>&#x02013;<lpage>624</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2015.2465849</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cattaneo</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Nuzzo</surname> <given-names>C. D.</given-names></name> <name><surname>Fascia</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Macalli</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Pisoni</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Cardini</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Risks of falls in subjects with multiple sclerosis</article-title>. <source>Arch. Phys. Med. Rehabil.</source> <volume>83</volume>, <fpage>864</fpage>&#x02013;<lpage>867</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1053/apmr.2002.32825</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12048669</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cerri</surname> <given-names>J. P.</given-names></name> <name><surname>Terra</surname> <given-names>M. H.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Recursive robust regulator for discrete-time Markovian jump linear systems</article-title>. <source>IEEE Trans. Autom. Control</source>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TAC.2017.2707335</pub-id></citation></ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chang</surname> <given-names>W. H.</given-names></name> <name><surname>Kim</surname> <given-names>Y.-H.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Robot-assisted therapy in stroke rehabilitation</article-title>. <source>J. Stroke</source> <volume>15</volume>, <fpage>174</fpage>&#x02013;<lpage>181</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.5853/jos.2013.15.3.174</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24396811</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chow</surname> <given-names>J. W.</given-names></name> <name><surname>Yablon</surname> <given-names>S. A.</given-names></name> <name><surname>Stokic</surname> <given-names>D. S.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Coactivation of ankle muscles during stance phase of gait in patients with lower limb hypertonia after acquired brain injury</article-title>. <source>Clin. Neurophysiol.</source> <volume>123</volume>, <fpage>1599</fpage>&#x02013;<lpage>1605</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.clinph.2012.01.006</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22325644</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Colgate</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Hogan</surname> <given-names>N.</given-names></name></person-group> (<year>1989</year>). <source>The Interaction of Robots with Passive Environments: Application to Force Feedback Control</source>. <publisher-loc>Berlin; Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Colgate</surname> <given-names>J. E.</given-names></name> <name><surname>Hogan</surname> <given-names>N.</given-names></name></person-group> (<year>1988</year>). <article-title>Robust control of dynamically interacting systems</article-title>. <source>Int. J. Control</source> <volume>48</volume>, <fpage>65</fpage>&#x02013;<lpage>88</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00207178808906161</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>dos Santos</surname> <given-names>W. M.</given-names></name> <name><surname>Caurin</surname> <given-names>G. A.</given-names></name> <name><surname>Siqueira</surname> <given-names>A. A.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Design and control of an active knee orthosis driven by a rotary series elastic actuator</article-title>. <source>Control Eng. Pract.</source> <volume>58</volume>, <fpage>307</fpage>&#x02013;<lpage>318</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.conengprac.2015.09.008</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gon&#x000E7;alves</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Siqueira</surname> <given-names>A. A.</given-names></name> <name><surname>dos Santos</surname> <given-names>W. M.</given-names></name> <name><surname>Consoni</surname> <given-names>L. J.</given-names></name> <name><surname>do Amaral</surname> <given-names>L. M.</given-names></name> <name><surname>de OB Franzolin</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Development and evaluation of a robotic platform for rehabilitation of ankle movements</article-title>, in <source>22st International Congress Of Mechanical Engineering</source> (<publisher-loc>Ribeir&#x000E3;o Preto</publisher-loc>), <fpage>8291</fpage>&#x02013;<lpage>8298</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gon&#x000E7;alves</surname> <given-names>A. C. B. F.</given-names></name> <name><surname>dos Santos</surname> <given-names>W. M.</given-names></name> <name><surname>Consoni</surname> <given-names>L. J.</given-names></name> <name><surname>Siqueira</surname> <given-names>A. A. G.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Serious games for assessment and rehabilitation of ankle movements</article-title>, in <source>Serious Games and Applications for Health (SeGAH), 2014 IEEE 3rd International Conference on</source> (<publisher-loc>Rio de Janeiro</publisher-loc>), <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hatano</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>1976</year>). <article-title>Experience from a multicentre stroke register: a preliminary report</article-title>. <source>Bull. World Health Organ.</source> <volume>54</volume>, <fpage>541</fpage>&#x02013;<lpage>553</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">1088404</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hogan</surname> <given-names>N.</given-names></name></person-group> (<year>1985</year>). <article-title>Impedance control: an approach to manipulation</article-title>. <source>J. Dyn. Syst. Measure. Control</source> <volume>107</volume>(<issue>Pt. 1&#x02013;3</issue>), <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>24</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3140702</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Inoue</surname> <given-names>R. S.</given-names></name> <name><surname>Terra</surname> <given-names>M. H.</given-names></name> <name><surname>Cerri</surname> <given-names>J. P.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Extended robust kalman filter for attitude estimation</article-title>. <source>IET Control Theory Appl.</source> <volume>10</volume>, <fpage>162</fpage>&#x02013;<lpage>172</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1049/iet-cta.2015.0235</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ishihara</surname> <given-names>J. Y.</given-names></name> <name><surname>Terra</surname> <given-names>M. H.</given-names></name> <name><surname>Cerri</surname> <given-names>J. P.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Optimal robust filtering for systems subject to uncertainties</article-title>. <source>Automatica</source> <volume>52</volume>, <fpage>111</fpage>&#x02013;<lpage>117</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2014.10.120</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jutinico</surname> <given-names>A. L.</given-names></name> <name><surname>Jaimes</surname> <given-names>J. C.</given-names></name> <name><surname>Escalante</surname> <given-names>F. M.</given-names></name> <name><surname>Perez-Ibarra</surname> <given-names>J. C.</given-names></name> <name><surname>Terra</surname> <given-names>M. H.</given-names></name> <name><surname>Siqueira</surname> <given-names>A. A. G.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Recursive robust regulator for discrete-time markovian jump linear systems: control of series elastic actuators</article-title>, in <source>20th IFAC World Congress</source> (<publisher-loc>Toulouse</publisher-loc>).</citation></ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kong</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Bae</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Tomizuka</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Control of rotary series elastic actuator for ideal force-mode actuation in human 2013;robot interaction applications</article-title>. <source>IEEE/ASME Trans. Mechatr.</source> <volume>14</volume>, <fpage>105</fpage>&#x02013;<lpage>118</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2008.2004561</pub-id></citation></ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Krebs</surname> <given-names>H. I.</given-names></name> <name><surname>Dipietro</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Levy-Tzedek</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Fasoli</surname> <given-names>S. E.</given-names></name> <name><surname>Rykman-Berland</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Zipse</surname> <given-names>J.</given-names></name> <etal/></person-group>. (<year>2008</year>). <article-title>A paradigm shift for rehabilitation robotics</article-title>. <source>IEEE Eng. Med. Biol. Mag.</source> <volume>27</volume>, <fpage>61</fpage>&#x02013;<lpage>70</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/MEMB.2008.919498</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19004697</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lee</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Rouse</surname> <given-names>E. J.</given-names></name> <name><surname>Krebs</surname> <given-names>H. I.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Summary of human ankle mechanical impedance during walking</article-title>. <source>IEEE J. Transl. Eng. Health Med.</source> <volume>4</volume>, <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JTEHM.2016.2601613</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27766187</pub-id></citation></ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Li</surname> <given-names>X.</given-names></name> <name><surname>Pan</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Yu</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Adaptive human-robot interaction control for robots driven by series elastic actuators</article-title>. <source>IEEE Trans. Robot.</source> <volume>33</volume>, <fpage>169</fpage>&#x02013;<lpage>182</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TRO.2016.2626479</pub-id></citation></ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lin</surname> <given-names>P.-Y.</given-names></name> <name><surname>Yang</surname> <given-names>Y.-R.</given-names></name> <name><surname>Cheng</surname> <given-names>S.-J.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>R.-Y.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>The relation between ankle impairments and gait velocity and symmetry in people with stroke</article-title>. <source>Arch. Phys. Med. Rehabil.</source> <volume>87</volume>, <fpage>562</fpage>&#x02013;<lpage>568</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apmr.2005.12.042</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16571398</pub-id></citation></ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lum</surname> <given-names>P. S.</given-names></name> <name><surname>Burgar</surname> <given-names>C. G.</given-names></name> <name><surname>Shor</surname> <given-names>P. C.</given-names></name> <name><surname>Majmundar</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>der Loos</surname> <given-names>M. V.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Robot-assisted movement training compared with conventional therapy techniques for the rehabilitation of upper-limb motor function after stroke</article-title>. <source>Arch. Phys. Med. Rehabil.</source> <volume>83</volume>, <fpage>952</fpage>&#x02013;<lpage>959</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1053/apmr.2001.33101</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12098155</pub-id></citation></ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mehling</surname> <given-names>J. S.</given-names></name> <name><surname>O&#x00027;Malley</surname> <given-names>M. K.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>A model matching framework for the synthesis of series elastic actuator impedance control</article-title>, in <source>22nd Mediterranean Conference on Control and Automation</source> (<publisher-loc>Palermo</publisher-loc>), <fpage>249</fpage>&#x02013;<lpage>254</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Oh</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Kong</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>High-precision robust force control of a series elastic actuator</article-title>. <source>IEEE/ASME Trans. Mechatr.</source> <volume>22</volume>, <fpage>71</fpage>&#x02013;<lpage>80</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2016.2614503</pub-id></citation></ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pan</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>X.</given-names></name> <name><surname>Yu</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Adaptive command-filtered backstepping control of robot arms with compliant actuators</article-title>. <source>IEEE Trans. Cont. Syst. Technol.</source> <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCST.2017.2695600</pub-id></citation></ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Petit</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Dietrich</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Albu-Schffer</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Generalizing torque control concepts: using well-established torque control methods on variable stiffness robots</article-title>. <source>IEEE Robot. Autom. Mag.</source> <volume>22</volume>, <fpage>37</fpage>&#x02013;<lpage>51</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/MRA.2015.2476576</pub-id></citation></ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pratt</surname> <given-names>G. A.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Low impedance walking robots1</article-title>. <source>Integr. Comp. Biol.</source> <volume>42</volume>:<fpage>174</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/icb/42.1.174</pub-id></citation></ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>P&#x000E9;rez-Ibarra</surname> <given-names>J. C.</given-names></name> <name><surname>Alarcn</surname> <given-names>A. L. J.</given-names></name> <name><surname>Jaimes</surname> <given-names>J. C.</given-names></name> <name><surname>Ortega</surname> <given-names>F. M. E.</given-names></name> <name><surname>Terra</surname> <given-names>M. H.</given-names></name> <name><surname>Siqueira</surname> <given-names>A. A. G.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Design and analysis of <inline-formula><mml:math id="M143"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> force control of a series elastic actuator for impedance control of an ankle rehabilitation robotic platform</article-title>, in <source>2017 American Control Conference (ACC)</source>, <fpage>2423</fpage>&#x02013;<lpage>2428</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.23919/ACC.2017.7963316</pub-id></citation></ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Radomski</surname> <given-names>M. V.</given-names></name> <name><surname>Trombly</surname> <given-names>C. A.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <source>Occupational Therapy for Physical Dysfunction, 7th Edn</source>. <publisher-loc>Philadelphia, PA</publisher-loc>: <publisher-name>LWW</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Robinson</surname> <given-names>D. W.</given-names></name> <name><surname>Pratt</surname> <given-names>J. E.</given-names></name> <name><surname>Paluska</surname> <given-names>D. J.</given-names></name> <name><surname>Pratt</surname> <given-names>G. A.</given-names></name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Series elastic actuator development for a biomimetic walking robot</article-title>, in <source>Advanced Intelligent Mechatronics, 1999. Proceedings. 1999 IEEE/ASME International Conference on</source>, <fpage>561</fpage>&#x02013;<lpage>568</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/AIM.1999.803231</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Skogestad</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Postlethwaite</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <source>Multivariable Feedback Control: Analysis and Design</source>, <volume>vol. 2</volume>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tagliamonte</surname> <given-names>N. L.</given-names></name> <name><surname>Accoto</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Passivity constraints for the impedance control of series elastic actuators</article-title>. <source>Proc. Inst. Mech. Eng. I</source> <volume>228</volume>, <fpage>138</fpage>&#x02013;<lpage>153</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/0959651813511615</pub-id></citation></ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Vallery</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Veneman</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>van Asseldonk</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Ekkelenkamp</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Buss</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>van Der Kooij</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Compliant actuation of rehabilitation robots</article-title>. <source>IEEE Robot. Autom. Mag.</source> <volume>15</volume>, <fpage>60</fpage>&#x02013;<lpage>69</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/MRA.2008.927689</pub-id></citation></ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="other"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wyeth</surname> <given-names>G.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Control issues for velocity sourced series elastic actuators</article-title>, in <source>Proceedings of the Australasian Conference on Robotics and Automation</source> (<publisher-loc>Auckland</publisher-loc>), <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yu</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Pan</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Guo</surname> <given-names>Z.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Humanrobot interaction control of rehabilitation robots with series elastic actuators</article-title>. <source>IEEE Trans. Robot.</source> <volume>31</volume>, <fpage>1089</fpage>&#x02013;<lpage>1100</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TRO.2015.2457314</pub-id></citation></ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yu</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Thakor</surname> <given-names>N.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Control design of a novel compliant actuator for rehabilitation robots</article-title>. <source>Mechatronics</source> <volume>23</volume>, <fpage>1072</fpage>&#x02013;<lpage>1083</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechatronics.2013.08.004</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn fn-type="financial-disclosure"><p><bold>Funding.</bold> This research is supported by Office of Research Administration of University of S&#x000E3;o Paulo, Coordination for Improvement of Higher Education Personnel (CAPES), Colciencias (Colombia), National Council for Scientific and Technological Development (CNPq) under grants 132221/2013-6 and 142080/2016-0, and S&#x000E3;o Paulo Research Foundation (FAPESP) under grants 2011/04074-3 and 2013/14756-0.</p></fn>
</fn-group>
</back>
</article>