Hybrid Position/Force Control

Aussi appelé: hybrid force/position control, hybrid force-position control, hybrid control
Catégorie: Control › Force & interaction control
Mots-clés: force-control, manipulation, contact-tasks, industrial-robotics, control

Un schéma de commande de manipulateur qui divise l'espace de la tâche en directions commandées en position et en directions orthogonales commandées en force, afin qu'un robot puisse se déplacer le long d'une surface tout en appuyant dessus.

Définition

Commande hybride position/force (hybrid position/force control) : méthode de commande d'un robot en contact avec son environnement qui divise la tâche en directions où le mouvement est commandé et directions où la force de contact est commandée. Elle a été formalisée par Raibert et Craig en 1981, en s'appuyant sur l'analyse des contraintes naturelles et artificielles de Mason publiée la même année.

L'observation clé est qu'un contact contraint le mouvement dans certaines directions et la force dans d'autres. Lorsqu'un robot fait glisser un outil sur une table, il ne peut pas pénétrer dans la table, si bien qu'une commande en position dans cette direction a peu de sens, mais il peut choisir avec quelle force appuyer. Parallèlement à la table, il est libre de se déplacer mais ne peut pas développer de force utile contre le vide. La commande hybride définit donc un repère de contraintes au contact et utilise une matrice de sélection pour affecter chaque axe, en translation ou en rotation, soit à un contrôleur de position, soit à un contrôleur de force.

La boucle de position suit une trajectoire le long des directions libres, et la boucle de force, utilisant généralement les mesures d'un capteur de force/couple au poignet, régule la force de contact le long des directions contraintes. Leurs sorties sont combinées en commandes articulaires. La manière de combiner les deux sous-espaces compte : on a montré plus tard que la formulation d'origine était instable pour certains manipulateurs à articulations rotoïdes, ce qui a conduit à des formulations corrigées, dont certaines fondées sur le cadre de l'espace opérationnel.

La commande hybride diffère de la commande en impédance, qui ne sépare pas les directions mais fait se comporter le robot comme un ressort-amortisseur, échangeant de la précision en position contre de la compliance. La commande hybride offre une régulation explicite de la force là où elle est nécessaire, mais elle exige un modèle assez précis de la géométrie du contact ; si la surface n'est pas là où le contrôleur le suppose, ou n'est pas orientée comme il le suppose, les directions sélectionnées sont fausses.

Pourquoi c'est important

De nombreuses tâches industrielles et de service, comme le polissage, le meulage, l'essuyage et l'assemblage, exigent qu'un robot contrôle la force avec laquelle il appuie tout en se déplaçant le long d'une surface. La commande hybride position/force offre un moyen direct de spécifier ces tâches, et ses idées de repères de contraintes et de matrices de sélection façonnent encore la manière de programmer les tâches en contact.

Applications principales

Polissage, meulage et ébavurage
Essuyage et nettoyage de surfaces
Insertion cheville-trou (peg-in-hole) et assemblage
Suivi de contour et inspection de surface
Manipulateurs mobiles et à pattes qui poussent ou appuient sur des objets

En pratique

Une équipe qui met en place une cellule de polissage robotisée définit un repère de tâche aligné sur la surface de la pièce, affecte l'axe normal à la surface à la commande en force avec une force de contact cible, et affecte les axes tangentiels et les orientations à la commande en position le long de la trajectoire de polissage. La boucle de force lit un capteur de force/couple monté au poignet, généralement filtré pour réduire le bruit, et de nombreux contrôleurs industriels proposent cela sous forme d'un mode de commande en force dans lequel l'utilisateur choisit quels axes sont commandés en force. Les ingénieurs règlent prudemment les gains de force, testent d'abord sur la pièce réelle avec de faibles forces cibles, et surveillent le broutement ou la perte de contact sur les arêtes et dans les coins, là où la normale supposée à la surface change.

Idées reçues

Un robot peut commander la position et la force le long de la même direction à la fois — le long d'un axe donné, une seule des deux peut être imposée ; l'environnement détermine l'autre
La commande hybride et la commande en impédance sont la même chose — la commande hybride régule explicitement la force le long d'axes choisis, tandis que la commande en impédance façonne une relation ressort-amortisseur entre force et mouvement
La commande en force n'a besoin d'aucun modèle de l'environnement — la commande hybride dépend de la connaissance de la géométrie du contact pour choisir les bons axes

Qui devrait le savoir

Programmeurs de robots industriels travaillant sur des tâches en contact
Ingénieurs en manipulation et en commande
Chercheurs travaillant sur la manipulation mobile et à pattes
Étudiants en robotique qui étudient la commande en force

Technologies associées

Capteur de force/couple (Force/Torque Sensor)
Commande en impédance (Impedance Control)
Commande en admittance (Admittance Control)
Commande dans l'espace opérationnel (Operational Space Control)
Matrice de sélection (Selection Matrix)
Commande en compliance (Compliance Control)

Termes associés

Projets associés

LeRobot: HuggingFace ML library for real-world robotics in PyTorch
Isaac Lab: NVIDIA robot learning framework: one task API across Newton, PhysX and Isaac Sim
NVIDIA Isaac GR00T: NVIDIA open foundation model for humanoid robot reasoning and skills
OpenVLA: 7B-parameter Vision-Language-Action model for robotic manipulation
Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
OpenArm: 7DOF humanoid arm for physical AI research in contact-rich environments

Vidéos

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