Sensorless Force Estimation

Aussi appelé: sensorless force sensing, external force estimation, model-based force estimation, proprioceptive force estimation, sensorless torque estimation
Catégorie: Sensing › Contact & force
Mots-clés: force-estimation, proprioception, dynamics, collision-detection, actuator-modeling, compliant-control

L'estimation des forces et des couples qu'un robot exerce sur son environnement, ou qu'il en reçoit, à partir des courants moteurs, des états articulaires et d'un modèle dynamique plutôt qu'avec un capteur de force dédié.

Définition

Estimation d'effort sans capteur (sensorless force estimation) : pratique consistant à déduire les forces de contact ou les couples externes s'exerçant sur un robot sans capteur de force/couple dédié. Elle utilise des signaux que le robot mesure déjà, comme les courants moteurs ainsi que les positions et vitesses articulaires, avec un modèle de la dynamique et des actionneurs du robot. L'estimation est la part de l'effort mesuré des actionneurs que le modèle ne peut pas expliquer par le mouvement propre du robot, la gravité et le frottement : tout ce qui reste est attribué à l'interaction externe.

La chaîne de base part du courant moteur. Pour un moteur électrique, le couple est à peu près proportionnel au courant via la constante de couple, et le passage par le rapport de réduction donne un couple articulaire approximatif. En soustrayant le couple que le modèle de dynamique des corps rigides prédit pour le mouvement mesuré, on obtient une estimation des couples articulaires externes. Si l'on suppose un seul point de contact, ceux-ci peuvent être convertis en une force à l'effecteur final via la transposée de la jacobienne du manipulateur. Comme les accélérations tirées de données de codeurs bruitées ne sont pas fiables, les méthodes courantes les évitent : les observateurs de perturbation filtrent le couple résiduel, et les observateurs de quantité de mouvement généralisée utilisent la quantité de mouvement du robot pour estimer le couple externe sans dériver la vitesse.

La principale source d'erreur est généralement l'actionneur plutôt que le bras. Les réducteurs ajoutent un frottement qui dépend de la vitesse, de la charge, de la température et du sens, ainsi que du jeu et des ondulations de couple, et des rapports de réduction élevés rendent les forces externes difficiles à distinguer des pertes internes. C'est pourquoi l'estimation sans capteur fonctionne mieux sur les conceptions réversibles comme les actionneurs à entraînement direct et quasi direct, et pourquoi l'identification du frottement représente une grande part de toute implémentation. Des modèles appris, comme des réseaux de neurones qui prédisent le couple ou le frottement de l'actionneur à partir des signaux moteurs, captent des effets difficiles à mettre en équations.

L'estimation sans capteur est moins précise qu'un capteur de force/couple étalonné, mais elle coûte moins cher, n'ajoute ni masse ni câblage au poignet et peut détecter un contact sur n'importe quel segment plutôt qu'au seul point de montage du capteur. Elle est largement utilisée pour la détection de collisions et pour le comportement compliant des robots à pattes.

Pourquoi c'est important

L'information d'effort est nécessaire à la détection de collisions, à l'interaction compliante et à la manipulation riche en contacts, mais les capteurs de force/couple sont chers, fragiles et ne mesurent qu'en un point. L'estimation sans capteur donne aux robots à bas coût et aux plateformes à pattes une perception du contact exploitable à partir du matériel dont ils disposent déjà.

Applications principales

Détection de collisions — arrêter ou rétracter un bras robotisé en cas de contact inattendu
Robots à pattes — détecter le contact des pieds et estimer les forces de réaction du sol à partir des couples articulaires
Bras manipulateurs à bas coût — permettre la commande compliante et le guidage manuel sans capteur de force/couple au poignet
Robots chirurgicaux et médicaux — estimer les forces d'interaction de l'outil là où il est difficile de loger des capteurs
Téléopération haptique — fournir à l'opérateur un retour d'effort à partir des forces de contact estimées

En pratique

Une équipe commence généralement par identifier les paramètres dynamiques et de frottement du robot à partir de mouvements enregistrés sans contact, en ajustant pour chaque articulation un frottement de Coulomb et un frottement visqueux et en vérifiant la constante de couple de chaque moteur. Elle exécute ensuite un observateur de quantité de mouvement ou un observateur de perturbation dans la boucle de commande temps réel et compare sa sortie à un capteur de force/couple de référence ou à des masses connues pour étalonner les seuils. Pour la détection de collisions, elle fixe des seuils par articulation assez élevés pour ignorer l'erreur de modèle lors des mouvements rapides, mais assez bas pour arrêter rapidement le robot en cas de contact ; pour la commande en effort, elle accepte une bande passante et une précision inférieures à celles qu'offrirait un capteur, et revérifie les paramètres de frottement à mesure que le robot chauffe.

Idées reçues

Le courant moteur mesure directement le couple articulaire — le frottement, les pertes du réducteur et la dynamique propre du robot doivent être soustraits avant de pouvoir estimer les forces externes
L'estimation sans capteur est aussi précise qu'un capteur de force/couple — elle est généralement plus bruitée et moins précise, surtout avec des réducteurs à fort rapport et à basse vitesse
Elle fonctionne aussi bien sur n'importe quel robot — les actionneurs réversibles à faible frottement donnent de bien meilleures estimations que les actionneurs fortement réduits
Une estimation du couple articulaire indique où se trouve le contact — la conversion en force cartésienne exige de connaître ou d'estimer l'emplacement du contact

Qui devrait le savoir

Ingénieurs automaticiens qui construisent des robots compliants et des robots collaboratifs
Développeurs de robots à pattes
Équipes qui conçoivent des bras manipulateurs à bas coût
Chercheurs travaillant sur la modélisation des actionneurs et la sécurité des robots

Technologies associées

Observateur de quantité de mouvement (Momentum Observer)
Observateur de perturbation (Disturbance Observer)
Capteur de force/couple (Force/Torque Sensor)
Entraînement quasi direct (Quasi Direct Drive)
Identification de systèmes (System Identification)
Jacobienne du manipulateur (Manipulator Jacobian)

Termes associés

Projets associés

Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
MoveIt 2: Motion planning framework for ROS 2 robot arms, with kinematics and collision checking
DART: C++ physics engine for articulated rigid body dynamics and robotics simulation
frax: JAX library for fast, differentiable robot kinematics, dynamics and inverse kinematics
mjfit: Exact convex collision geometry for MuJoCo pegs, holes, threads and gears