Torque Control

• Detto anche: Current Control, Effort Control
• Categoria: Control › Force & interaction control
• Tag: control, actuation, safety, legged-robots, compliance

Comandare quanto forte spinge un giunto anziché dove va: la modalità di controllo che permette a un robot di essere cedevole e di sentire ciò che tocca.

Definizione

Il controllo della coppia comanda la forza che un giunto applica invece della posizione che deve raggiungere. Un giunto controllato in posizione risponde alla richiesta "vai qui e resta lì"; un giunto con controllo della coppia risponde a "spingi con questa forza e lascia che sia il mondo a decidere dove ti fermi". Questa distinzione cambia ciò che un robot può fare in sicurezza.

Con il controllo di posizione, il contatto con un oggetto imprevisto produce tutta la forza necessaria a raggiungere la posizione comandata, ed è così che le macchine rompono le cose e feriscono le persone. Con il controllo della coppia, il contatto ferma semplicemente il movimento alla forza comandata. Per questo è la base del comportamento cedevole: assemblaggio a forza limitata, interazione fisica sicura, robot con zampe che assorbono gli urti con il suolo e qualsiasi compito in cui l'ambiente non è noto con precisione in anticipo.

In pratica la coppia viene comandata tramite la corrente del motore, poiché in un motore brushless corrente e coppia sono proporzionali. Ciò significa che la qualità del controllo della coppia dipende da quanto fedelmente la trasmissione lascia passare la coppia: una trasmissione reversibile a basso rapporto permette alla corrente di essere una buona approssimazione della coppia al giunto, mentre un riduttore ad alto rapporto aggiunge attrito e torsione elastica che coprono il segnale. È esattamente per questo che esistono gli attuatori quasi-direct drive (QDD), ed è per questo che i giunti destinati al controllo della coppia sono costruiti in modo molto diverso da quelli destinati al posizionamento di precisione.

Perché è importante

Il controllo della coppia è la linea di demarcazione tra le macchine che devono stare in gabbia e quelle che possono lavorare accanto alle persone. È anche ciò che ha reso possibile la moderna robotica con zampe: una gamba che comanda una forza anziché una posizione può assorbire un atterraggio invece di contrastarlo. Quando una scheda tecnica pubblicizza il controllo della coppia, sottintende un'intera catena di scelte progettuali (una trasmissione reversibile, il rilevamento della corrente e un anello di controllo abbastanza veloce), non una semplice funzione del firmware.

Applicazioni principali

• Robot collaborativi che devono limitare la forza di contatto per motivi di sicurezza
• Robot con zampe che assorbono gli urti con il suolo e stimano il contatto
• Compiti di assemblaggio come l'inserimento, in cui il solo controllo di posizione incepperebbe o romperebbe i pezzi
• Teleoperazione e ritorno di forza, in cui l'operatore deve sentire il contatto remoto
• Esoscheletri e dispositivi di riabilitazione che assistono chi li indossa anziché prevaricarlo

In pratica

Un giunto con controllo della coppia abbina tipicamente un motore brushless a un controllo a orientamento di campo, al rilevamento della corrente su ogni fase e a una trasmissione a basso rapporto, così che la relazione tra corrente e coppia in uscita resti fedele. Il controllo gira veloce, comunemente a un kilohertz o più, perché gli eventi di contatto avvengono rapidamente. Molti sistemi lo usano sotto un controller di posizione o di impedenza di livello superiore anziché da solo: l'anello esterno decide dove andare, l'anello interno di coppia decide con quanta forza insistere.

Idee sbagliate comuni

• Controllo della coppia significa che il robot è sicuro: rende possibile un comportamento sicuro, ma la coppia comandata va comunque scelta con criterio
• Qualsiasi motore può essere controllato in coppia: servono il rilevamento della corrente e una trasmissione che lasci passare fedelmente la coppia; una vite senza fine ad alto rapporto non può farlo
• Sostituisce il controllo di posizione: la maggior parte dei sistemi usa la coppia come anello interno sotto un controller di posizione o di impedenza
• La corrente del motore equivale alla coppia al giunto: attrito, riduzione e temperatura si frappongono, ed è per questo che esistono i sensori di coppia al giunto

Chi dovrebbe saperlo

• Chiunque costruisca un robot che tocca oggetti o persone imprevedibili
• Costruttori che scelgono gli attuatori per macchine con zampe o collaborative
• Chiunque abbia un robot che rompe i pezzi al contatto invece di fermarsi
• Ingegneri che leggono specifiche di attuatori che pubblicizzano il controllo di coppia o di corrente
• Studenti che imparano perché modalità di controllo e progettazione meccanica non si possono scegliere separatamente

Termini correlati

• Impedance Control
• Quasi Direct Drive
• Backdrivability
• PID Controller
• Series Elastic Actuator

Progetti correlati

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Video

• Modern Robotics, Chapter 11.4: Motion Control with Torque or Force Inputs (Part 1 of 3): Northwestern Robotics