Admittance Control

• 別名: position-based impedance control
• カテゴリ: Control › Force & interaction control
• タグ: force-control, compliance, interaction-control, human-robot-interaction, manipulation

ロボットに加わる力を測って運動指令に変換し、位置制御のロボットを選んだ質量・ばね・ダンパのようにふるまわせる力制御の方式。

定義

アドミタンス制御（admittance control）は、外力に対してロボットがあらかじめ定めた動的なふるまい、通常は仮想的な質量・ばね・ダンパのふるまいで応答するようにする。制御装置は、多くの場合手首やハンドルに取り付けた力覚センサーで相互作用力を測り、それを M ẍ + D ẋ + K x = F_ext のようなモデルに通し、結果を積分して位置または速度のオフセットを得る。このオフセットを目標軌道に加え、内側の位置制御装置または速度制御装置に送る。力学的にはアドミタンスは力を運動へ写す関係であり、この制御装置がしていることもまさにそれである。力を読み取り、運動を出力する。

アドミタンス制御はインピーダンス制御と対をなす。インピーダンス制御は運動を位置と速度の誤差として測り、力やトルクを指令するので、トルク制御型やバックドライブ可能なアームのように、トルク制御が良好で摩擦の小さいロボットを必要とする。アドミタンス制御は力を測って運動を指令するので、高減速比のギアボックスをもつ産業用アームの大半を含め、剛く高ゲインの位置制御をもつロボットに向いている。こうしたアームでは関節の摩擦が小さな力を覆い隠してしまう。両者が目指す目標のふるまいは同じだが、実用上の長所は正反対である。インピーダンス制御は低い剛性を再現するときや自由運動では性能が良く、非常に剛くふるまうよう求められると性能が悪い。アドミタンス制御は剛いふるまいをうまく再現できるが、仮想質量と減衰が小さいときにロボットが剛い環境に触れると、振動やびびりを起こすことがある。

調整はこのトレードオフを中心に行う。仮想質量と減衰を小さくすると、人が導くときにロボットが軽く感じられるが、剛い接触に対して振動する危険が高まり、センサーのノイズも増幅される。大きな値にすると安定するが、動きが重く感じられる。実装では、力信号をフィルタし、センサーより先に取り付けた工具の重量を補償し、センサーのドリフトを除くために不感帯を加え、多くの場合、ロボットが自由空間にあるか、導かれているか、接触しているかに応じてパラメータをオンラインで変える。

重要な理由

産業用アームの大半と協働アームの多くは位置制御であり、正確な関節トルク制御を提供しない。アドミタンス制御は、力センサーを追加したうえで、こうしたロボットに手による誘導、組立、接触作業のための柔軟なふるまいを与える通常の方法である。その安定性の限界を理解しておけば、ロボットが剛い表面に当たったときの振動を防げる。

主な用途

• 産業用アームと協働アームの手による誘導とダイレクトティーチング
• 力フィードバックを用いたペグインホールなどの組立
• 使用者の力に応じて動くリハビリテーションロボットと外骨格
• 荷物を一緒に運ぶといった、物理的な人とロボットの協働
• 接触を調整しながら行う研磨、サンディングなどの表面仕上げ
• 外力によって指令位置がずれる、ドローンや移動ロボットのインタラクション制御

実際の使われ方

あるインテグレーターが、位置制御の産業用アームに手による誘導機能を追加し、作業者が工具を押して経由点を教示できるようにする。フランジとハンドルの間に 6 軸力覚センサーを取り付ける。各制御周期で、ソフトウェアはセンサーのバイアスとハンドルの重力負荷を差し引き、小さな不感帯をかけ、残った力をばねのない仮想質量・ダンパモデルに通す。こうしてアームは押された方向へ動き、手を離すと止まる。得られた速度を積分して位置オフセットにし、ロボットの位置インタフェースへストリーミングする。テストでは、作業者が工具を鋼製の治具に押し付けるとアームがびびることが分かったので、チームは接触力がしきい値を超えると仮想減衰を上げ、自由運動では再び下げるようにする。

よくある誤解

• アドミタンス制御とインピーダンス制御は同じものだ — 目指すふるまいは同じだが向きが逆である。アドミタンスは力を読んで運動を指令し、インピーダンスは運動を読んで力を指令する
• 仮想質量と減衰は小さいほど常に柔軟性が良くなる — ロボットは軽く感じられるが、剛い接触での安定性が下がり、力センサーのノイズが増幅される
• アドミタンス制御にはトルク制御の関節が必要だ — 位置制御や速度制御のロボット向けに設計されており、代わりに外部の力計測に頼る

知っておくべき人

• 力制御とマニピュレーションのエンジニア
• 産業用アームに手による誘導を追加するシステムインテグレーター
• リハビリテーションと外骨格の開発者
• 物理的ヒューマンロボットインタラクションの研究者

関連技術

• 6 軸力覚センサー（Six-Axis Force-Torque Sensor）
• 仮想質量・ばね・ダンパモデル（Virtual Mass-Spring-Damper Model）
• 工具の重力補償（Tool Gravity Compensation）
• 位置・速度制御インタフェース（Position and Velocity Control Interfaces）
• 可変アドミタンス制御（Variable Admittance Control）

関連用語

• Impedance Control
• Force/Torque Sensor
• Physical Human-Robot Interaction
• Hybrid Position/Force Control
• Kinesthetic Teaching
• Backdrivability

関連プロジェクト

• LeRobot: HuggingFace ML library for real-world robotics in PyTorch
• Isaac Lab: NVIDIA robot learning framework: one task API across Newton, PhysX and Isaac Sim
• NVIDIA Isaac GR00T: NVIDIA open foundation model for humanoid robot reasoning and skills
• OpenVLA: 7B-parameter Vision-Language-Action model for robotic manipulation
• Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
• OpenArm: 7DOF humanoid arm for physical AI research in contact-rich environments