Hybrid Position/Force Control

• 別名: hybrid force/position control, hybrid force-position control, hybrid control
• カテゴリ: Control › Force & interaction control
• タグ: force-control, manipulation, contact-tasks, industrial-robotics, control

タスク空間を位置を制御する方向と、それに直交し力を制御する方向とに分けるロボットアームの制御方式で、ロボットが表面を押し付けながらその表面に沿って動けるようにする。

定義

位置/力ハイブリッド制御（Hybrid position/force control）は、環境と接触しているロボットを制御する手法で、タスクを運動を制御する方向と接触力を制御する方向とに分ける。1981 年に Raibert と Craig によって定式化され、同年に発表された Mason による自然拘束と人工拘束の解析を土台としている。

要となる観察は、接触がある方向では運動を、別の方向では力を拘束するということである。ロボットが机の上で工具を滑らせるとき、机の中へは動けないのでその方向の位置制御にはあまり意味がないが、どれだけ強く押し付けるかは選べる。机に平行な方向では自由に動けるが、何もない相手に対して有用な力を生み出すことはできない。そこでハイブリッド制御は接触点に拘束座標系を定め、選択行列を用いて、並進・回転の各軸を位置コントローラか力コントローラのどちらかに割り当てる。

位置ループは自由方向に沿って軌道に追従し、力ループは通常、手首の力覚センサ（力/トルクセンサ）の計測値を用いて、拘束方向に沿った接触力を調整する。両者の出力は関節指令に統合される。二つの部分空間の統合のしかたは重要で、元の定式化は一部の回転関節のロボットアームで不安定になることが後に示され、操作空間の枠組みに基づくものを含む修正された定式化が生まれた。

ハイブリッド制御はインピーダンス制御とは異なる。インピーダンス制御は方向を分けず、ロボットをばね-ダンパのように振る舞わせ、位置の精度と引き換えにコンプライアンスを得る。ハイブリッド制御は必要な方向で明示的な力の調整を行えるが、接触の幾何形状についてかなり正確なモデルを必要とする。表面がコントローラの想定する位置や向きにない場合、選んだ方向が誤ったものになる。

重要な理由

研磨、研削、拭き取り、組立など、産業やサービスの多くのタスクでは、ロボットが表面に沿って動きながら押し付ける強さを制御する必要がある。位置/力ハイブリッド制御はそうしたタスクを直接指定する方法を与え、その拘束座標系と選択行列の考え方は、今も接触タスクのプログラミングのしかたに影響を与えている。

主な用途

• 研磨、研削、バリ取り
• 表面の拭き取りと清掃
• ペグインホールの挿入と組立
• 輪郭倣いと表面検査
• 物体を押す、または押し付けるモバイルマニピュレータや脚型マニピュレータ

実際の使われ方

ロボット研磨セルを立ち上げるチームは、ワーク表面に合わせたタスク座標系を定め、表面の法線軸を目標接触力付きの力制御に、接線方向の軸と姿勢を研磨経路に沿った位置制御に割り当てる。力ループは手首に取り付けた力覚センサ（力/トルクセンサ）を読み取り、通常はノイズを減らすためにフィルタをかける。多くの産業用ロボットの制御装置はこれを力制御モードとして提供しており、ユーザーがどの軸を力制御にするかを選ぶ。エンジニアは力のゲインを控えめに調整し、まず低い目標力で実際の部品を使って試験し、想定した表面法線が変わる縁や角でびびりや接触の喪失が起きないかを注視する。

よくある誤解

• ロボットは同じ方向で位置と力を同時に制御できる — どの軸でも指定できるのは二つのうち一方だけであり、もう一方は環境が決める
• ハイブリッド制御とインピーダンス制御は同じものである — ハイブリッド制御は選んだ軸に沿って明示的に力を調整し、インピーダンス制御は力と運動の間にばね-ダンパの関係を形づくる
• 力制御には環境のモデルが不要である — ハイブリッド制御は正しい軸を選ぶために接触の幾何形状を知っていることに依存する

知っておくべき人

• 接触タスクに取り組む産業用ロボットのプログラマ
• マニピュレーションと制御のエンジニア
• モバイルマニピュレーションや脚型マニピュレーションに取り組む研究者
• 力制御を学ぶロボティクスの学生

関連技術

• 力覚センサ（Force/Torque Sensor）
• インピーダンス制御（Impedance Control）
• アドミッタンス制御（Admittance Control）
• 操作空間制御（Operational Space Control）
• 選択行列（Selection Matrix）
• コンプライアンス制御（Compliance Control）

関連用語

• Impedance Control
• Force/Torque Sensor
• Torque Control

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

動画

• Modern Robotics, Chapter 11.6: Hybrid Motion-Force Control: Northwestern Robotics