Energy tank

Detto anche: virtual energy tank, tank-based passivity
Categoria: Control › Force & interaction control
Tag: passivity, interaction-control, safety, teleoperation, impedance-control

Un accumulo virtuale di energia nel controllore di un robot che tiene conto dell'energia dissipata e iniettata e consente azioni di controllo non passive solo finché il serbatoio contiene energia, così che il sistema resti passivo.

Definizione

Un serbatoio di energia (energy tank) è un elemento di accumulo virtuale aggiunto al controllore di un robot per mantenere passivo il sistema ad anello chiuso pur consentendo azioni di controllo che di per sé non sono passive. Passività significa che un sistema non può rilasciare più energia di quella che ha immagazzinato più quella che ha ricevuto, e un robot passivo che interagisce con un ambiente passivo, come una persona o una superficie rigida, resta stabile. Il controllo di impedenza con rigidezza e smorzamento costanti è passivo, ma molte estensioni utili non lo sono: rigidezza variabile nel tempo, inseguimento di forza, commutazione tra compiti, policy apprese e comunicazione con ritardo nella teleoperazione possono tutte iniettare energia e causare instabilità o movimenti non sicuri.

Il serbatoio è uno stato del controllore, scritto comunemente x_t con energia immagazzinata T = ½ x_t², accoppiato al resto del controllore tramite una porta di potenza. L'energia che il controllore dissipa, per esempio attraverso il suo termine di smorzamento, confluisce nel serbatoio, e l'energia richiesta dalla parte non passiva del controllore viene prelevata da esso. Finché il serbatoio contiene energia, l'azione non passiva è consentita; quando l'energia immagazzinata scende a una soglia inferiore, quell'azione viene disattivata o ridotta e il controllore ricade su un comportamento passivo, il che tiene anche lo stato del serbatoio lontano da zero, dove la sua dinamica diventa singolare. Un limite superiore all'energia immagazzinata impedisce al serbatoio di accumulare una riserva abbastanza grande da rilasciare in seguito una scarica pericolosa. Poiché robot, controllore e serbatoio insieme scambiano energia con l'ambiente solo attraverso la porta di interazione fisica, il sistema aumentato è passivo per costruzione. L'idea è nata dalla modellazione port-Hamiltoniana e dalla teleoperazione bilaterale basata sulla passività, ed è oggi molto usata nel controllo di impedenza variabile e nell'interazione fisica uomo-robot.

I serbatoi di energia limitano quanta energia il controllore può iniettare nel tempo, ma non con quale rapidità. Un serbatoio pieno può comunque essere svuotato in fretta, per cui la potenza, e con essa la forza o la velocità di picco, è limitata solo indirettamente attraverso i limiti del serbatoio. La scelta dell'energia iniziale, delle soglie e della politica di ricarica fa parte della progettazione, e un budget troppo piccolo fa ricadere spesso il controllore sul comportamento passivo. Gli strati di sicurezza basati sulla potenza e le funzioni barriera di controllo sull'energia o sulla potenza sono approcci correlati che vincolano direttamente la velocità del flusso di energia; il lavoro sui veicoli aerei in interazione fisica elencato più sotto propone per questo motivo uno strato basato sulla potenza.

Perché è importante

I robot che toccano le persone e ciò che le circonda hanno bisogno di controllori che si adattino, apprendano o inseguano forze, e molte di queste modifiche infrangono le garanzie di stabilità del controllo di interazione classico. I serbatoi di energia offrono un modo semplice e generale per mantenere una garanzia di passività consentendo questi comportamenti, il che li ha resi un elemento di sicurezza standard nell'interazione fisica, nella teleoperazione e nel controllo di impedenza variabile.

Applicazioni principali

Controllo di impedenza variabile e di rigidezza variabile
Teleoperazione bilaterale con ritardo di comunicazione
Interazione fisica uomo-robot con controllori adattivi o appresi
Inseguimento di forza e compiti di contatto su manipolatori e robot aerei
Commutazione di compiti e controllo a priorità senza perdita di passività

In pratica

Un braccio collaborativo funziona in controllo di impedenza e deve irrigidirsi quando trasporta un pezzo e ammorbidirsi quando una persona lo guida a mano. Aumentare la rigidezza mentre il braccio è deflesso aggiunge energia alla molla virtuale, il che può infrangere la passività. Il team aggiunge un serbatoio di energia: il termine di smorzamento del controllore di impedenza lo riempie, e ogni aumento di rigidezza ne preleva l'energia corrispondente. Sceglie un budget iniziale e un limite superiore e registra il livello del serbatoio durante le prove. Quando un operatore spinge ripetutamente il braccio mentre il profilo di rigidezza sta salendo, il serbatoio si svuota fino alla soglia inferiore, la variazione di rigidezza si interrompe e il braccio prosegue con l'ultima impedenza finché lo smorzamento non ha riempito di nuovo il serbatoio.

Idee sbagliate comuni

Un serbatoio di energia limita direttamente la forza o la velocità — limita l'energia nel tempo, e un serbatoio pieno può comunque rilasciare energia rapidamente, per cui la potenza è limitata solo indirettamente
Un controllore passivo è sicuro sotto ogni aspetto — la passività garantisce un'interazione stabile con ambienti passivi, non che forze di contatto, velocità o limiti dell'area di lavoro restino entro valori sicuri
Il serbatoio è un componente fisico — è uno stato virtuale all'interno del software del controllore, senza un corrispettivo hardware
Un serbatoio più grande è sempre meglio — un budget immagazzinato maggiore consente azioni non passive più grandi e rilasci di energia maggiori, il che indebolisce il beneficio per la sicurezza

Chi dovrebbe saperlo

Ingegneri del controllo di interazione e di impedenza
Sviluppatori di sistemi di teleoperazione
Ricercatori di interazione fisica uomo-robot
Ingegneri di manipolazione aerea e ispezione a contatto

Tecnologie correlate

Controllo basato sulla passività (Passivity-Based Control)
Sistemi port-Hamiltoniani (Port-Hamiltonian Systems)
Controllo di impedenza variabile
Controllo di passività nel dominio del tempo (Time-Domain Passivity Control)
Funzioni barriera di controllo

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