Hybrid Position/Force Control

Auch genannt: hybrid force/position control, hybrid force-position control, hybrid control
Kategorie: Control › Force & interaction control
Schlagwörter: force-control, manipulation, contact-tasks, industrial-robotics, control

Ein Regelungsschema für Manipulatoren, das den Aufgabenraum in positionsgeregelte Richtungen und dazu orthogonale kraftgeregelte Richtungen aufteilt, sodass ein Roboter sich entlang einer Oberfläche bewegen kann, während er auf sie drückt.

Definition

Hybride Positions-/Kraftregelung (Hybrid Position/Force Control) ist ein Verfahren zur Regelung eines Roboters im Kontakt mit seiner Umgebung, bei dem die Aufgabe in Richtungen mit geregelter Bewegung und Richtungen mit geregelter Kontaktkraft aufgeteilt wird. Sie wurde 1981 von Raibert und Craig formalisiert und baut auf Masons im selben Jahr veröffentlichter Analyse natürlicher und künstlicher Zwangsbedingungen auf.

Die zentrale Beobachtung ist, dass ein Kontakt in manchen Richtungen die Bewegung und in anderen die Kraft beschränkt. Wenn ein Roboter ein Werkzeug über einen Tisch schiebt, kann er sich nicht in den Tisch hineinbewegen, sodass eine Positionsregelung in diese Richtung wenig Sinn ergibt, er kann aber wählen, wie fest er drückt. Parallel zum Tisch kann er sich frei bewegen, aber gegen nichts keine nützliche Kraft aufbauen. Die hybride Regelung definiert daher am Kontakt ein Zwangskoordinatensystem und weist mit einer Selektionsmatrix jede Achse, ob translatorisch oder rotatorisch, entweder einem Positionsregler oder einem Kraftregler zu.

Die Positionsschleife folgt einer Trajektorie entlang der freien Richtungen, und die Kraftschleife regelt, typischerweise mit Messungen eines Kraft-/Drehmomentsensors am Handgelenk, die Kontaktkraft entlang der beschränkten Richtungen. Ihre Ausgaben werden zu Gelenkbefehlen kombiniert. Wie die beiden Unterräume kombiniert werden, ist wichtig: Die ursprüngliche Formulierung erwies sich später für manche Manipulatoren mit Drehgelenken als instabil, was zu korrigierten Formulierungen führte, darunter solche auf Basis des Operational-Space-Frameworks.

Die hybride Regelung unterscheidet sich von der Impedanzregelung, die keine Richtungen trennt, sondern den Roboter sich wie ein Feder-Dämpfer-System verhalten lässt und dabei Positionsgenauigkeit gegen Nachgiebigkeit eintauscht. Die hybride Regelung bietet explizite Kraftregelung dort, wo sie gebraucht wird, erfordert aber ein ziemlich genaues Modell der Kontaktgeometrie; befindet sich die Oberfläche nicht dort oder ist sie nicht so ausgerichtet, wie der Regler annimmt, sind die gewählten Richtungen falsch.

Warum es wichtig ist

Viele Industrie- und Serviceaufgaben wie Polieren, Schleifen, Wischen und Montage erfordern, dass ein Roboter regelt, wie fest er drückt, während er sich entlang einer Oberfläche bewegt. Die hybride Positions-/Kraftregelung bietet eine direkte Möglichkeit, solche Aufgaben zu spezifizieren, und ihre Ideen von Zwangskoordinatensystemen und Selektionsmatrizen prägen bis heute, wie Kontaktaufgaben programmiert werden.

Wichtige Anwendungen

Polieren, Schleifen und Entgraten
Wischen und Reinigen von Oberflächen
Peg-in-Hole-Einfügen und Montage
Konturverfolgung und Oberflächeninspektion
Mobile und laufende Manipulatoren, die auf Objekte drücken oder sie schieben

In der Praxis

Ein Team, das eine robotergestützte Polierzelle einrichtet, definiert ein an der Werkstückoberfläche ausgerichtetes Aufgabenkoordinatensystem, weist die Flächennormalenachse der Kraftregelung mit einer Zielkontaktkraft zu und die Tangentialachsen sowie die Orientierungen der Positionsregelung entlang der Polierbahn. Die Kraftschleife liest einen am Handgelenk montierten Kraft-/Drehmomentsensor, meist gefiltert, um Rauschen zu verringern, und viele Industrie-Robotersteuerungen bieten dies als Kraftregelungsmodus an, in dem der Benutzer wählt, welche Achsen kraftgeregelt sind. Ingenieure stellen die Kraftverstärkungen konservativ ein, testen am realen Teil zuerst mit geringen Zielkräften und achten an Kanten und Ecken, wo sich die angenommene Flächennormale ändert, auf Rattern oder Kontaktverlust.

Häufige Missverständnisse

Ein Roboter kann Position und Kraft entlang derselben Richtung gleichzeitig regeln — entlang einer Achse lässt sich jeweils nur eine der beiden Größen vorgeben; die Umgebung bestimmt die andere
Hybride Regelung und Impedanzregelung sind dasselbe — die hybride Regelung regelt die Kraft explizit entlang gewählter Achsen, während die Impedanzregelung eine Feder-Dämpfer-Beziehung zwischen Kraft und Bewegung formt
Kraftregelung braucht kein Modell der Umgebung — die hybride Regelung hängt davon ab, die Kontaktgeometrie zu kennen, um die richtigen Achsen zu wählen

Wer das wissen sollte

Industrieroboter-Programmierer, die an Kontaktaufgaben arbeiten
Manipulations- und Regelungsingenieure
Forschende zu mobiler Manipulation und Manipulation mit Laufrobotern
Robotikstudierende, die sich mit Kraftregelung befassen

Videos

Modern Robotics, Chapter 11.6: Hybrid Motion-Force Control: Northwestern Robotics

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