Admittance Control

Detto anche: position-based impedance control
Categoria: Control › Force & interaction control
Tag: force-control, compliance, interaction-control, human-robot-interaction, manipulation

Uno schema di controllo di forza che misura la forza applicata a un robot e la converte in un comando di moto, facendo comportare un robot controllato in posizione come un sistema massa-molla-smorzatore scelto.

Definizione

Controllo ad ammettenza (admittance control) fa rispondere un robot alle forze esterne con un comportamento dinamico prescritto, di solito quello di un sistema virtuale massa-molla-smorzatore. Il controllore misura la forza di interazione, tipicamente con un sensore di forza/coppia al polso o su un'impugnatura, la fa passare attraverso un modello come M ẍ + D ẋ + K x = F_ext e integra il risultato per ottenere un offset di posizione o di velocità. Quell'offset viene sommato alla traiettoria di riferimento e inviato a un controllore interno di posizione o di velocità. In termini meccanici un'ammettenza mappa la forza nel moto, ed è esattamente ciò che fa il controllore: legge una forza e restituisce un moto.

Il controllo ad ammettenza è il corrispettivo del controllo di impedenza. Il controllo di impedenza misura il moto, come errore di posizione e di velocità, e comanda forza o coppia, quindi richiede un robot con un buon controllo di coppia e basso attrito, come un braccio controllato in coppia o reversibile. Il controllo ad ammettenza misura la forza e comanda il moto, quindi è adatto a robot con un controllo di posizione rigido e ad alto guadagno, inclusa la maggior parte dei bracci industriali con riduttori ad alto rapporto, il cui attrito ai giunti maschererebbe forze piccole. Entrambi mirano allo stesso comportamento obiettivo, ma i loro punti di forza pratici sono opposti. Il controllo di impedenza funziona bene nel rendere rigidezze basse e nel moto libero, e male quando gli si chiede di essere molto rigido. Il controllo ad ammettenza rende bene un comportamento rigido, ma può oscillare o vibrare quando massa e smorzamento virtuali sono bassi e il robot tocca un ambiente rigido.

La taratura ruota attorno a questo compromesso. Massa e smorzamento virtuali bassi fanno sembrare il robot leggero quando una persona lo guida, ma aumentano il rischio di oscillazione contro contatti rigidi e amplificano il rumore del sensore. Valori più alti sono stabili ma risultano lenti. Le implementazioni filtrano il segnale di forza, compensano il peso dell'utensile montato oltre il sensore, aggiungono una banda morta per respingere la deriva del sensore e spesso variano i parametri online a seconda che il robot sia nello spazio libero, venga guidato o sia in contatto.

Perché è importante

La maggior parte dei bracci industriali e molti bracci collaborativi sono controllati in posizione e non offrono un controllo accurato della coppia ai giunti. Il controllo ad ammettenza è il modo abituale per dare a questi robot un comportamento cedevole per la guida manuale, l'assemblaggio e i compiti di contatto con l'aggiunta di un sensore di forza, e comprenderne i limiti di stabilità evita oscillazioni quando il robot incontra una superficie rigida.

Applicazioni principali

Guida manuale e programmazione per trascinamento (lead-through) di bracci industriali e collaborativi
Inserimento perno-foro (peg-in-hole) e altri assemblaggi con retroazione di forza
Robot per la riabilitazione ed esoscheletri che rispondono allo sforzo dell'utente
Collaborazione fisica uomo-robot, come trasportare insieme un carico
Lucidatura, levigatura e altre finiture superficiali con contatto regolato
Controllo dell'interazione per droni e robot mobili, dove le forze esterne spostano una posizione comandata

In pratica

Un integratore aggiunge la guida manuale a un braccio industriale controllato in posizione, così che gli operatori possano insegnare i waypoint spingendo l'utensile. Un sensore di forza/coppia a sei assi è montato tra la flangia e un'impugnatura. A ogni ciclo di controllo, il software sottrae l'offset del sensore e il carico gravitazionale dell'impugnatura, applica una piccola banda morta e fa passare la forza rimanente attraverso un modello virtuale massa-smorzatore senza molla, così che il braccio si muova nella direzione in cui viene spinto e si fermi quando viene rilasciato. La velocità risultante viene integrata in un offset di posizione e inviata in streaming all'interfaccia di posizione del robot. I test mostrano che il braccio vibra quando l'operatore preme l'utensile contro un'attrezzatura di acciaio, quindi il team aumenta lo smorzamento virtuale quando le forze di contatto superano una soglia e lo riduce di nuovo nel moto libero.

Idee sbagliate comuni

Controllo ad ammettenza e controllo di impedenza sono la stessa cosa — mirano allo stesso comportamento ma in direzioni opposte: l'ammettenza legge la forza e comanda il moto, l'impedenza legge il moto e comanda la forza
Massa e smorzamento virtuali più bassi danno sempre una cedevolezza migliore — fanno sembrare il robot più leggero, ma riducono la stabilità nel contatto rigido e amplificano il rumore del sensore di forza
Il controllo ad ammettenza richiede giunti controllati in coppia — è pensato per robot controllati in posizione o in velocità e si basa invece su una misura esterna della forza

Chi dovrebbe saperlo

Ingegneri di controllo di forza e di manipolazione
Integratori che aggiungono la guida manuale ai bracci industriali
Sviluppatori di robot per la riabilitazione e di esoscheletri
Ricercatori di interazione fisica uomo-robot

Tecnologie correlate

Sensore di forza/coppia a sei assi (Six-Axis Force-Torque Sensor)
Modello virtuale massa-molla-smorzatore (Virtual Mass-Spring-Damper Model)
Compensazione della gravità dell'utensile (Tool Gravity Compensation)
Interfacce di controllo in posizione e in velocità (Position and Velocity Control Interfaces)
Controllo ad ammettenza variabile (Variable Admittance Control)

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