Energy tank

Auch genannt: virtual energy tank, tank-based passivity
Kategorie: Control › Force & interaction control
Schlagwörter: passivity, interaction-control, safety, teleoperation, impedance-control

Ein virtueller Energiespeicher in einem Roboterregler, der dissipierte und eingebrachte Energie verbucht und nichtpassive Stelleingriffe nur zulässt, solange der Tank Energie enthält, sodass das System passiv bleibt.

Definition

Ein Energietank (energy tank) ist ein virtuelles Speicherelement, das einem Roboterregler hinzugefügt wird, um das geschlossene System passiv zu halten und dennoch Stelleingriffe zuzulassen, die für sich genommen nicht passiv sind. Passivität bedeutet, dass ein System nicht mehr Energie abgeben kann, als es gespeichert hat, zuzüglich der ihm zugeführten, und ein passiver Roboter, der mit einer passiven Umgebung wie einem Menschen oder einer starren Oberfläche interagiert, bleibt stabil. Impedanzregelung mit konstanter Steifigkeit und Dämpfung ist passiv, viele nützliche Erweiterungen sind es jedoch nicht: zeitvariante Steifigkeit, Kraftfolgeregelung, Umschalten zwischen Aufgaben, gelernte Policies und zeitverzögerte Kommunikation in der Teleoperation können alle Energie einbringen und Instabilität oder unsichere Bewegungen verursachen.

Der Tank ist ein Reglerzustand, üblicherweise als x_t mit gespeicherter Energie T = ½ x_t² geschrieben, der über einen Leistungsport mit dem übrigen Regler gekoppelt ist. Energie, die der Regler dissipiert, etwa über seinen Dämpfungsterm, fließt in den Tank, und Energie, die der nichtpassive Teil des Reglers benötigt, wird ihm entnommen. Solange der Tank Energie enthält, ist der nichtpassive Eingriff erlaubt; sinkt die gespeicherte Energie auf eine untere Schwelle, wird dieser Eingriff abgeschaltet oder herunterskaliert und der Regler fällt auf passives Verhalten zurück, was auch den Tankzustand von null fernhält, wo seine Dynamik singulär wird. Eine obere Grenze der gespeicherten Energie verhindert, dass der Tank eine Reserve aufbaut, die groß genug ist, um später einen gefährlichen Energiestoß freizusetzen. Da Roboter, Regler und Tank zusammen nur über den physischen Interaktionsport Energie mit der Umgebung austauschen, ist das erweiterte System konstruktionsbedingt passiv. Die Idee ist aus der port-Hamiltonschen Modellierung und der passivitätsbasierten bilateralen Teleoperation hervorgegangen und wird heute breit in der variablen Impedanzregelung und der physischen Mensch-Roboter-Interaktion eingesetzt.

Energietanks begrenzen, wie viel Energie der Regler über die Zeit einbringen kann, aber nicht, wie schnell. Ein voller Tank kann dennoch schnell geleert werden, daher sind die Leistung und mit ihr Spitzenkraft oder -geschwindigkeit nur indirekt über die Tankgrenzen beschränkt. Die Wahl der Anfangsenergie, der Schwellen und der Nachfüllstrategie ist Teil des Entwurfs, und ein zu kleines Budget lässt den Regler oft auf passives Verhalten zurückfallen. Leistungsbasierte Sicherheitsschichten und Control Barrier Functions auf Energie oder Leistung sind verwandte Ansätze, die die Rate des Energieflusses direkt beschränken; die unten aufgeführte Arbeit zu Luftfahrzeugen in physischer Interaktion schlägt aus diesem Grund eine leistungsbasierte Schicht vor.

Warum es wichtig ist

Roboter, die Menschen und ihre Umgebung berühren, brauchen Regler, die sich anpassen, lernen oder Kräften folgen, und viele solcher Änderungen brechen die Stabilitätsgarantien der klassischen Interaktionsregelung. Energietanks bieten einen einfachen, allgemeinen Weg, eine Passivitätsgarantie zu erhalten und diese Verhaltensweisen dennoch zuzulassen, was sie zu einem Standard-Sicherheitselement in physischer Interaktion, Teleoperation und variabler Impedanzregelung gemacht hat.

Wichtige Anwendungen

Variable Impedanz- und Steifigkeitsregelung
Bilaterale Teleoperation mit Kommunikationsverzögerung
Physische Mensch-Roboter-Interaktion mit adaptiven oder gelernten Reglern
Kraftfolgeregelung und Kontaktaufgaben bei Manipulatoren und Flugrobotern
Aufgabenwechsel und priorisierte Regelung ohne Verlust der Passivität

In der Praxis

Ein kollaborativer Arm arbeitet mit Impedanzregelung und muss steifer werden, wenn er ein Teil trägt, und nachgiebiger, wenn ein Mensch ihn von Hand führt. Wird die Steifigkeit erhöht, während der Arm ausgelenkt ist, fließt Energie in die virtuelle Feder, was die Passivität brechen kann. Das Team fügt einen Energietank hinzu: Der Dämpfungsterm des Impedanzreglers füllt ihn, und jede Erhöhung der Steifigkeit entnimmt ihm die entsprechende Energie. Das Team wählt ein Anfangsbudget und eine obere Grenze und protokolliert den Tankfüllstand während der Tests. Drückt ein Bediener den Arm wiederholt, während das Steifigkeitsprofil hochgefahren wird, leert sich der Tank bis zur unteren Schwelle, die Steifigkeitsänderung pausiert, und der Arm arbeitet mit seiner letzten Impedanz weiter, bis die Dämpfung den Tank wieder gefüllt hat.

Häufige Missverständnisse

Ein Energietank begrenzt Kraft oder Geschwindigkeit direkt — er begrenzt Energie über die Zeit, und ein voller Tank kann Energie trotzdem schnell freisetzen, daher ist die Leistung nur indirekt beschränkt
Ein passiver Regler ist in jeder Hinsicht sicher — Passivität garantiert stabile Interaktion mit passiven Umgebungen, nicht aber, dass Kontaktkräfte, Geschwindigkeiten oder Arbeitsraumgrenzen innerhalb sicherer Werte bleiben
Der Tank ist ein physisches Bauteil — er ist ein virtueller Zustand in der Reglersoftware ohne Gegenstück in der Hardware
Ein größerer Tank ist immer besser — ein größeres gespeichertes Budget erlaubt größere nichtpassive Eingriffe und größere Energiefreisetzungen, was den Sicherheitsgewinn schwächt

Wer das wissen sollte

Ingenieure für Interaktions- und Impedanzregelung
Entwickler von Teleoperationssystemen
Forschende zur physischen Mensch-Roboter-Interaktion
Ingenieure für Luftmanipulation und Kontaktinspektion

Open Source Robotics