Admittance Control

Auch genannt: position-based impedance control
Kategorie: Control › Force & interaction control
Schlagwörter: force-control, compliance, interaction-control, human-robot-interaction, manipulation

Ein Kraftregelungsverfahren, das die auf einen Roboter wirkende Kraft misst und in einen Bewegungsbefehl umwandelt, sodass sich ein positionsgeregelter Roboter wie ein gewähltes Masse-Feder-Dämpfer-System verhält.

Definition

Admittanzregelung (admittance control) lässt einen Roboter auf äußere Kräfte mit einem vorgegebenen dynamischen Verhalten reagieren, meist dem eines virtuellen Masse-Feder-Dämpfer-Systems. Der Regler misst die Interaktionskraft, typischerweise mit einem Kraft-/Momentsensor am Handgelenk oder an einem Handgriff, führt sie durch ein Modell wie M ẍ + D ẋ + K x = F_ext und integriert das Ergebnis, um einen Positions- oder Geschwindigkeitsversatz zu erhalten. Dieser Versatz wird zur Referenztrajektorie addiert und an einen inneren Positions- oder Geschwindigkeitsregler gesendet. Mechanisch betrachtet bildet eine Admittanz Kraft auf Bewegung ab, und genau das tut der Regler: Er liest Kraft und gibt Bewegung aus.

Die Admittanzregelung ist das Gegenstück zur Impedanzregelung. Die Impedanzregelung misst Bewegung, als Positions- und Geschwindigkeitsfehler, und kommandiert Kraft oder Drehmoment, sodass sie einen Roboter mit guter Momentenregelung und geringer Reibung braucht, etwa einen momentengeregelten oder rückwärtstreibbaren Arm. Die Admittanzregelung misst Kraft und kommandiert Bewegung, sodass sie sich für Roboter mit steifer Positionsregelung mit hoher Verstärkung eignet, darunter die meisten Industriearme mit hoch übersetzenden Getrieben, deren Gelenkreibung kleine Kräfte überdecken würde. Beide zielen auf dasselbe Sollverhalten, doch ihre praktischen Stärken sind entgegengesetzt. Die Impedanzregelung funktioniert gut, wenn geringe Steifigkeit dargestellt werden soll, und in freier Bewegung, und schlecht, wenn sie sehr steif sein soll. Die Admittanzregelung stellt steifes Verhalten gut dar, kann aber schwingen oder rattern, wenn virtuelle Masse und Dämpfung niedrig sind und der Roboter eine steife Umgebung berührt.

Die Abstimmung dreht sich um diesen Zielkonflikt. Eine niedrige virtuelle Masse und Dämpfung lassen den Roboter leicht wirken, wenn ein Mensch ihn führt, erhöhen aber das Risiko von Schwingungen bei starren Kontakten und verstärken Sensorrauschen. Höhere Werte sind stabil, wirken aber träge. Implementierungen filtern das Kraftsignal, kompensieren das Gewicht des hinter dem Sensor montierten Werkzeugs, fügen ein Totband hinzu, um Sensordrift zu unterdrücken, und ändern die Parameter oft online, je nachdem, ob sich der Roboter im freien Raum befindet, geführt wird oder in Kontakt ist.

Warum es wichtig ist

Die meisten Industriearme und viele kollaborative Arme sind positionsgeregelt und bieten keine genaue Gelenkmomentenregelung. Die Admittanzregelung ist der übliche Weg, solchen Robotern mit einem zusätzlichen Kraftsensor nachgiebiges Verhalten für Handführung, Montage und Kontaktaufgaben zu geben, und das Verständnis ihrer Stabilitätsgrenzen verhindert Schwingungen, wenn der Roboter auf eine starre Oberfläche trifft.

Wichtige Anwendungen

Handführung und Lead-Through-Programmierung von Industrie- und kollaborativen Armen
Peg-in-Hole und andere Montage mit Kraftrückkopplung
Rehabilitationsroboter und Exoskelette, die auf die Anstrengung des Nutzers reagieren
Physische Mensch-Roboter-Kollaboration, etwa das gemeinsame Tragen einer Last
Polieren, Schleifen und andere Oberflächenbearbeitung mit geregeltem Kontakt
Interaktionsregelung für Drohnen und mobile Roboter, bei der äußere Kräfte eine kommandierte Position verschieben

In der Praxis

Ein Integrator fügt einem positionsgeregelten Industriearm Handführung hinzu, damit Bediener Wegpunkte einlernen können, indem sie das Werkzeug schieben. Ein sechsachsiger Kraft-/Momentsensor sitzt zwischen Flansch und Handgriff. In jedem Regelzyklus zieht die Software den Sensor-Bias und die Gewichtslast des Handgriffs ab, wendet ein kleines Totband an und führt die verbleibende Kraft durch ein virtuelles Masse-Dämpfer-Modell ohne Feder, sodass sich der Arm in die Richtung bewegt, in die er geschoben wird, und beim Loslassen stehen bleibt. Die resultierende Geschwindigkeit wird zu einem Positionsversatz integriert und an die Positionsschnittstelle des Roboters gestreamt. Tests zeigen, dass der Arm rattert, wenn der Bediener das Werkzeug gegen eine Stahlvorrichtung drückt, daher erhöht das Team die virtuelle Dämpfung, wenn die Kontaktkräfte einen Schwellenwert überschreiten, und senkt sie in freier Bewegung wieder.

Häufige Missverständnisse

Admittanz- und Impedanzregelung sind dasselbe — sie zielen auf dasselbe Verhalten, aber in entgegengesetzter Richtung: Admittanz liest Kraft und kommandiert Bewegung, Impedanz liest Bewegung und kommandiert Kraft
Niedrigere virtuelle Masse und Dämpfung ergeben immer bessere Nachgiebigkeit — sie lassen den Roboter leichter wirken, verringern aber die Stabilität bei steifem Kontakt und verstärken das Rauschen des Kraftsensors
Admittanzregelung braucht momentengeregelte Gelenke — sie ist für positions- oder geschwindigkeitsgeregelte Roboter ausgelegt und stützt sich stattdessen auf eine externe Kraftmessung

Wer das wissen sollte

Ingenieure für Kraftregelung und Manipulation
Integratoren, die Industriearmen Handführung hinzufügen
Entwickler von Rehabilitationsrobotern und Exoskeletten
Forschende zur physischen Mensch-Roboter-Interaktion

Open Source Robotics