Sensorless Force Estimation

Detto anche: sensorless force sensing, external force estimation, model-based force estimation, proprioceptive force estimation, sensorless torque estimation
Categoria: Sensing › Contact & force
Tag: force-estimation, proprioception, dynamics, collision-detection, actuator-modeling, compliant-control

Stimare le forze e le coppie che un robot esercita sull'ambiente, o che ne riceve, usando le correnti dei motori, gli stati dei giunti e un modello dinamico invece di un sensore di forza dedicato.

Definizione

Stima della forza senza sensore (sensorless force estimation) è la pratica di ricavare forze di contatto o coppie esterne agenti su un robot senza un sensore di forza/coppia dedicato. Usa segnali che il robot misura già, come le correnti dei motori e le posizioni e velocità dei giunti, insieme a un modello della dinamica del robot e dei suoi attuatori. La stima è la parte dello sforzo misurato degli attuatori che il modello non riesce a spiegare con il moto proprio del robot, la gravità e l'attrito: tutto ciò che resta viene attribuito all'interazione esterna.

La catena di base parte dalla corrente del motore. In un motore elettrico la coppia è all'incirca proporzionale alla corrente tramite la costante di coppia, e passando attraverso il rapporto di riduzione si ottiene una coppia al giunto approssimata. Sottraendo la coppia che il modello di dinamica di corpo rigido prevede per il moto misurato si ottiene una stima delle coppie esterne ai giunti. Se si assume un unico punto di contatto, queste possono essere convertite in una forza all'end effector tramite la trasposta dello jacobiano del manipolatore. Poiché le accelerazioni ricavate da dati rumorosi degli encoder non sono affidabili, i metodi comuni le evitano: gli osservatori di disturbo filtrano la coppia residua, e gli osservatori del momento generalizzato usano la quantità di moto del robot per stimare la coppia esterna senza derivare la velocità.

La principale fonte di errore di solito è l'attuatore più che il braccio. I riduttori aggiungono un attrito che dipende da velocità, carico, temperatura e verso, oltre a gioco e ripple di coppia, e i rapporti di riduzione elevati rendono difficile separare le forze esterne dalle perdite interne. Per questo la stima senza sensore funziona meglio su progetti reversibili (backdrivable) come gli attuatori a trasmissione diretta e quasi-direct drive, e per questo l'identificazione dell'attrito è una parte importante di qualsiasi implementazione. I modelli appresi, come le reti neurali che predicono la coppia o l'attrito dell'attuatore dai segnali del motore, catturano effetti difficili da esprimere in forma analitica.

La stima senza sensore è meno precisa di un sensore di forza/coppia calibrato, ma è più economica, non aggiunge massa né cablaggio al polso e può rilevare il contatto su qualsiasi link anziché solo nel punto di montaggio del sensore. È molto usata per il rilevamento delle collisioni e per il comportamento cedevole nei robot con gambe.

Perché è importante

L'informazione sulla forza serve per il rilevamento delle collisioni, l'interazione cedevole e la manipolazione ricca di contatti, ma i sensori di forza/coppia sono costosi, fragili e misurano in un solo punto. La stima senza sensore dà ai robot a basso costo e alle piattaforme con gambe una percezione del contatto utilizzabile a partire dall'hardware che hanno già.

Applicazioni principali

Rilevamento delle collisioni — fermare o ritrarre un braccio robotico quando si verifica un contatto imprevisto
Robot con gambe — rilevare il contatto dei piedi e stimare le forze di reazione del suolo dalle coppie ai giunti
Manipolatori a basso costo — consentire il controllo cedevole e la guida manuale senza un sensore di forza/coppia al polso
Robot chirurgici e medicali — stimare le forze di interazione dello strumento dove è difficile montare sensori
Teleoperazione aptica — fornire all'operatore un ritorno di forza a partire dalle forze di contatto stimate

In pratica

Un team di solito inizia identificando i parametri dinamici e di attrito del robot da movimenti registrati senza contatto, adattando l'attrito coulombiano e viscoso per ogni giunto e verificando la costante di coppia di ogni motore. Poi esegue un osservatore del momento o un osservatore di disturbo nel ciclo di controllo in tempo reale e ne confronta l'uscita con un sensore di forza/coppia di riferimento o con pesi noti per calibrare le soglie. Per il rilevamento delle collisioni imposta soglie per giunto abbastanza alte da ignorare l'errore di modello durante i movimenti veloci ma abbastanza basse da fermare rapidamente il robot al contatto; per il controllo di forza accetta una banda passante e un'accuratezza inferiori a quelle che darebbe un sensore, e ricontrolla i parametri di attrito man mano che il robot si scalda.

Idee sbagliate comuni

La corrente del motore misura direttamente la coppia al giunto — attrito, perdite nella trasmissione e dinamica propria del robot vanno sottratti prima di poter stimare le forze esterne
La stima senza sensore è accurata quanto un sensore di forza/coppia — di solito è più rumorosa e meno accurata, soprattutto con riduttori ad alto rapporto e a basse velocità
Funziona ugualmente bene su qualsiasi robot — attuatori reversibili e a basso attrito danno stime molto migliori di quelli con riduzioni elevate
Una stima della coppia al giunto dice dove si trova il contatto — convertirla in una forza cartesiana richiede di conoscere o stimare il punto di contatto

Chi dovrebbe saperlo

Ingegneri di controllo che costruiscono robot collaborativi e cedevoli
Sviluppatori di robot con gambe
Team che progettano manipolatori a basso costo
Ricercatori che lavorano sulla modellazione degli attuatori e sulla sicurezza dei robot

Tecnologie correlate

Osservatore del momento (Momentum Observer)
Osservatore di disturbo (Disturbance Observer)
Sensore di forza/coppia (Force/Torque Sensor)
Quasi-direct drive (Quasi Direct Drive)
Identificazione di sistemi (System Identification)
Jacobiano del manipolatore (Manipulator Jacobian)

Termini correlati

Progetti correlati

Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
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