Operational Space Control

Detto anche: OSC, operational space formulation
Categoria: Control › Force & interaction control
Tag: task-space-control, torque-control, manipulation, dynamics, redundancy

Un metodo di controllo a livello di coppia che scrive la dinamica di un manipolatore nelle coordinate dell'end effector, così che l'end effector possa essere comandato direttamente come un sistema massa-molla-smorzatore nello spazio del compito.

Definizione

Controllo nello spazio operativo (operational space control) è un framework introdotto da Oussama Khatib nel 1987 per controllare un robot direttamente nelle coordinate del suo compito, di solito la posizione e l'orientamento dell'end effector, anziché nelle coordinate dei giunti. Il punto di partenza è riscrivere le equazioni del moto del robot in quelle coordinate del compito. Il risultato ha la stessa struttura della dinamica nello spazio dei giunti, con una matrice d'inerzia nello spazio del compito Λ = (J M⁻¹ Jᵀ)⁻¹, costruita a partire dalla matrice d'inerzia nello spazio dei giunti M e dallo Jacobiano J, più i termini di Coriolis, centrifughi e di gravità espressi all'end effector.

Con questo modello, il controllore calcola la forza e il momento che l'end effector deve applicare, tipicamente con una legge PD sull'errore di posa scalata per Λ e con i termini dinamici compensati, e li converte in coppie ai giunti con la trasposta dello Jacobiano. L'effetto è che l'end effector si comporta come un semplice sistema massa-molla-smorzatore disaccoppiato nello spazio cartesiano, con una risposta prevedibile in ogni direzione. Poiché il controllore lavora con le forze, si estende in modo naturale al controllo unificato di movimento e forza e al contatto cedevole.

Per i robot ridondanti, che hanno più giunti di quanti ne servano al compito, il controllo nello spazio operativo aggiunge obiettivi secondari nello spazio nullo del compito principale, usando una proiezione dinamicamente consistente in modo che, per esempio, un obiettivo di postura o di limiti dei giunti non disturbi l'end effector. Questa idea di compiti impilati e con priorità è la base di molti controllori del corpo intero per umanoidi. Il metodo si basa su un modello dinamico ragionevole e sul controllo di coppia ai giunti, e l'inerzia nello spazio del compito diventa mal condizionata vicino alle singolarità, per cui le implementazioni pratiche aggiungono smorzamento e ripiegano su leggi di impedenza più semplici nello spazio del compito quando il modello è incerto.

Perché è importante

I compiti di manipolazione si specificano in termini di dove si trova l'utensile e di come deve spingere, non di angoli dei giunti. Il controllo nello spazio operativo permette a un robot di inseguire e reagire in quei termini con rigidezza e cedevolezza coerenti, ed è per questo che è un controllore di basso livello comune sotto le policy apprese che producono target per l'end effector.

Applicazioni principali

Controllo di basso livello delle pose dell'end effector prodotte da policy di manipolazione apprese
Compiti di contatto cedevole come pulire, inserire e spingere
Controllo combinato di movimento e forza lungo diverse direzioni del compito
Controllo del corpo intero di umanoidi e manipolatori mobili con compiti a priorità
Teleoperazione in cui i comandi dell'operatore sono dati nello spazio cartesiano

In pratica

In un setup di apprendimento costruito su un braccio controllato in coppia, una policy o un insieme di primitive di comportamento produce una sequenza di pose target dell'end effector a bassa frequenza, per esempio dieci volte al secondo. Un controllore nello spazio operativo che gira a diverse centinaia di hertz o più converte ogni target in coppie ai giunti: calcola l'errore di posa, applica guadagni di rigidezza e smorzamento, scala per l'inerzia nello spazio del compito, aggiunge la compensazione della gravità e mappa il risultato tramite la trasposta dello Jacobiano. Un termine nello spazio nullo mantiene il gomito vicino a una postura comoda. Gli ingegneri regolano la rigidezza in modo che il braccio insegua bene nello spazio libero ma ceda quando tocca uno scaffale o un oggetto, e abbassano i guadagni o aggiungono smorzamento dove il braccio si avvicina a una configurazione singolare.

Idee sbagliate comuni

Il controllo nello spazio operativo è la stessa cosa della cinematica inversa — lavora a livello di coppia con la dinamica del robot, anziché convertire pose in angoli dei giunti per un controllore di posizione
Serve un modello dinamico perfetto — trae beneficio da un buon modello, ma molte versioni in uso adottano un'inerzia approssimata e si affidano ai guadagni in retroazione per assorbire gli errori
Comandare l'end effector fissa l'intero braccio — sui robot ridondanti il moto nello spazio nullo va controllato separatamente, altrimenti il braccio può derivare

Chi dovrebbe saperlo

Ingegneri del controllo per la manipolazione
Ricercatori di robot learning che scelgono uno spazio delle azioni
Sviluppatori di umanoidi e di controllo del corpo intero
Studenti di robotica che studiano la dinamica dei robot

Tecnologie correlate

Controllo a coppia calcolata (Computed Torque Control)
Controllo di impedenza (Impedance Control)
Proiezione nello spazio nullo (Null-Space Projection)
robosuite
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