Hybrid Position/Force Control
- También llamado: hybrid force/position control, hybrid force-position control, hybrid control
- Categoría: Control › Force & interaction control
- Etiquetas: force-control, manipulation, contact-tasks, industrial-robotics, control
Un esquema de control de brazos robóticos que divide el espacio de la tarea en direcciones controladas en posición y direcciones ortogonales controladas en fuerza, para que un robot pueda moverse a lo largo de una superficie mientras presiona sobre ella.
Definición
Control híbrido de posición/fuerza (hybrid position/force control) es un método para controlar un robot en contacto con su entorno que divide la tarea en direcciones en las que se controla el movimiento y direcciones en las que se controla la fuerza de contacto. Lo formalizaron Raibert y Craig en 1981, a partir del análisis de restricciones naturales y artificiales de Mason, publicado el mismo año.
La observación clave es que un contacto restringe el movimiento en algunas direcciones y la fuerza en otras. Cuando un robot desliza una herramienta sobre una mesa, no puede moverse hacia dentro de la mesa, así que controlar la posición en esa dirección tiene poco sentido, pero sí puede elegir con cuánta fuerza presiona. En paralelo a la mesa puede moverse libremente, pero no puede generar una fuerza útil contra la nada. Por eso el control híbrido define un sistema de referencia de restricciones en el contacto y usa una matriz de selección para asignar cada eje, de traslación o de rotación, a un controlador de posición o a un controlador de fuerza.
El lazo de posición sigue una trayectoria a lo largo de las direcciones libres, y el lazo de fuerza, que normalmente usa las medidas de un sensor de fuerza/par en la muñeca, regula la fuerza de contacto a lo largo de las direcciones restringidas. Sus salidas se combinan en órdenes articulares. La forma de combinar los dos subespacios importa: más tarde se demostró que la formulación original era inestable para algunos brazos robóticos con articulaciones de revolución, lo que dio lugar a formulaciones corregidas, entre ellas algunas basadas en el marco del espacio operacional.
El control híbrido se diferencia del control de impedancia, que no separa direcciones sino que hace que el robot se comporte como un muelle-amortiguador, sacrificando precisión de posición a cambio de complianza. El control híbrido ofrece una regulación explícita de la fuerza donde se necesita, pero requiere un modelo bastante preciso de la geometría del contacto; si la superficie no está donde el controlador supone, o no tiene la orientación que supone, las direcciones seleccionadas son incorrectas.
Por qué importa
Muchas tareas industriales y de servicio, como pulir, amolar, limpiar con un paño y ensamblar, requieren que un robot controle con cuánta fuerza presiona mientras se mueve a lo largo de una superficie. El control híbrido de posición/fuerza ofrece una forma directa de especificar esas tareas, y sus ideas de sistemas de referencia de restricciones y matrices de selección siguen marcando cómo se programan las tareas con contacto.
Aplicaciones clave
- Pulido, amolado y desbarbado
- Limpieza y repaso de superficies
- Inserción de clavija en agujero (peg-in-hole) y ensamblaje
- Seguimiento de contornos e inspección de superficies
- Manipuladores móviles y con patas que empujan o presionan objetos
En la práctica
Un equipo que pone en marcha una célula robótica de pulido define un sistema de referencia de la tarea alineado con la superficie de la pieza, asigna el eje normal a la superficie al control de fuerza con una fuerza de contacto objetivo y asigna los ejes tangenciales y las orientaciones al control de posición a lo largo de la trayectoria de pulido. El lazo de fuerza lee un sensor de fuerza/par montado en la muñeca, normalmente filtrado para reducir el ruido, y muchos controladores industriales lo ofrecen como un modo de control de fuerza en el que el usuario elige qué ejes se controlan en fuerza. Los ingenieros ajustan las ganancias de fuerza de forma conservadora, prueban primero sobre la pieza real con fuerzas objetivo bajas y vigilan si aparecen vibraciones o pérdidas de contacto en bordes y esquinas, donde cambia la normal supuesta de la superficie.
Ideas erróneas comunes
- Un robot puede controlar a la vez la posición y la fuerza en la misma dirección — a lo largo de cualquier eje solo se puede especificar una de las dos; el entorno determina la otra
- El control híbrido y el control de impedancia son lo mismo — el control híbrido regula explícitamente la fuerza a lo largo de ejes elegidos, mientras que el control de impedancia da forma a una relación de muelle-amortiguador entre fuerza y movimiento
- El control de fuerza no necesita un modelo del entorno — el control híbrido depende de conocer la geometría del contacto para elegir los ejes correctos
Quién debería saberlo
- Programadores de robots industriales que trabajan en tareas con contacto
- Ingenieros de manipulación y de control
- Investigadores que trabajan en manipulación móvil y con patas
- Estudiantes de robótica que estudian el control de fuerza
Tecnologías relacionadas
- Sensor de fuerza/par (Force/Torque Sensor)
- Control de impedancia (Impedance Control)
- Control de admitancia (Admittance Control)
- Control en el espacio operacional (Operational Space Control)
- Matriz de selección (Selection Matrix)
- Control de complianza (Compliance Control)
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