Sensorless Force Estimation
- 다른 이름: sensorless force sensing, external force estimation, model-based force estimation, proprioceptive force estimation, sensorless torque estimation
- 카테고리: Sensing › Contact & force
- 태그: force-estimation, proprioception, dynamics, collision-detection, actuator-modeling, compliant-control
전용 힘 센서 대신 모터 전류, 관절 상태, 동역학 모델을 사용하여 로봇이 환경에 가하거나 환경으로부터 받는 힘과 토크를 추정하는 것.
정의
센서리스 힘 추정(sensorless force estimation)은 전용 힘/토크 센서 없이 로봇에 작용하는 접촉력이나 외부 토크를 추론하는 기법이다. 모터 전류, 관절 위치와 속도처럼 로봇이 이미 측정하는 신호를 로봇 동역학 및 액추에이터 모델과 함께 사용한다. 추정값은 측정된 액추에이터 노력 중에서 모델이 로봇 자신의 운동, 중력, 마찰로 설명하지 못하는 부분이다. 남는 것은 모두 외부 상호작용 때문인 것으로 간주한다.
기본적인 계산 사슬은 모터 전류에서 시작한다. 전기 모터에서 토크는 토크 상수를 통해 전류에 대략 비례하며, 기어비를 거치면 대략적인 관절 토크가 된다. 측정된 운동에 대해 강체 동역학 모델이 예측하는 토크를 빼면 외부 관절 토크의 추정값을 얻는다. 접촉 위치가 하나라고 가정하면, 이 토크들을 로봇 암 야코비안의 전치를 통해 엔드 이펙터에서의 힘으로 사상할 수 있다. 노이즈가 많은 인코더 데이터로 얻은 가속도는 신뢰할 수 없으므로, 일반적인 방법은 가속도 사용을 피한다. 외란 관측기는 잔여 토크를 필터링하고, 일반화 운동량 관측기는 속도를 미분하지 않고 로봇의 운동량을 이용해 외부 토크를 추정한다.
가장 큰 오차 원인은 보통 팔이 아니라 액추에이터다. 기어박스는 속도, 하중, 온도, 방향에 따라 달라지는 마찰은 물론 백래시와 토크 리플도 더하며, 높은 기어비는 외력을 내부 손실과 구분하기 어렵게 만든다. 이 때문에 센서리스 추정은 다이렉트 드라이브나 준 다이렉트 드라이브(quasi-direct-drive) 액추에이터 같은 백드라이버블 설계에서 가장 잘 작동하며, 마찰 식별이 모든 구현에서 큰 부분을 차지한다. 모터 신호로부터 액추에이터 토크나 마찰을 예측하는 신경망 같은 학습된 모델은 수식으로 적기 어려운 효과를 포착한다.
센서리스 추정은 캘리브레이션된 힘/토크 센서보다 덜 정밀하지만, 더 저렴하고, 손목에 질량이나 배선을 추가하지 않으며, 센서 장착 지점뿐 아니라 어느 링크에서든 접촉을 감지할 수 있다. 충돌 감지와 보행 로봇의 컴플라이언트한 거동에 널리 쓰인다.
중요한 이유
힘 정보는 충돌 감지, 컴플라이언트한 상호작용, 접촉이 많은 조작에 필요하지만, 힘/토크 센서는 비싸고 깨지기 쉬우며 한 지점에서만 측정한다. 센서리스 추정은 저가 로봇과 보행 플랫폼에 이미 갖춘 하드웨어만으로 쓸 만한 접촉 감각을 제공한다.
주요 응용
- 충돌 감지 — 예상치 못한 접촉이 발생하면 로봇 암을 멈추거나 후퇴시킴
- 보행 로봇 — 관절 토크로부터 발 접촉을 감지하고 지면 반력을 추정
- 저가 로봇 암 — 손목 힘/토크 센서 없이 컴플라이언트 제어와 핸드 가이딩을 가능하게 함
- 수술 및 의료 로봇 — 센서를 장착하기 어려운 곳에서 도구 상호작용 힘을 추정
- 햅틱 원격 조작 — 추정된 접촉력으로 조작자에게 힘 피드백을 제공
실제 사례
팀은 보통 접촉 없이 기록한 동작으로부터 로봇의 동역학 및 마찰 파라미터를 식별하는 것에서 시작해, 각 관절의 쿨롱 마찰과 점성 마찰을 맞추고 각 모터의 토크 상수를 확인한다. 그런 다음 실시간 제어 루프에서 운동량 관측기나 외란 관측기를 실행하고, 그 출력을 기준 힘/토크 센서나 알려진 무게와 비교하여 임계값을 캘리브레이션한다. 충돌 감지를 위해서는 관절별 임계값을 빠른 동작 중의 모델 오차는 무시할 만큼 높게, 그러나 접촉 시 로봇을 빠르게 멈출 만큼 낮게 설정한다. 힘 제어에서는 센서가 줄 수 있는 것보다 낮은 대역폭과 정확도를 감수하고, 로봇이 예열되면서 마찰 파라미터를 다시 확인한다.
흔한 오해
- 모터 전류가 관절 토크를 직접 측정한다 — 외력을 추정하려면 먼저 마찰, 기어 손실, 로봇 자신의 동역학을 빼야 한다
- 센서리스 추정은 힘/토크 센서만큼 정확하다 — 보통 노이즈가 더 많고 정확도가 낮으며, 특히 감속비가 큰 기어박스와 저속에서 그렇다
- 어떤 로봇에서든 똑같이 잘 작동한다 — 백드라이버블하고 마찰이 적은 액추에이터가 감속비가 큰 액추에이터보다 훨씬 나은 추정값을 준다
- 관절 토크 추정값으로 접촉 위치를 알 수 있다 — 직교 좌표계의 힘으로 사상하려면 접촉 위치를 알거나 추정해야 한다
알아야 할 사람
- 컴플라이언트 로봇과 협동로봇을 만드는 제어 엔지니어
- 보행 로봇 개발자
- 저가 로봇 암을 설계하는 팀
- 액추에이터 모델링과 로봇 안전을 연구하는 연구자
관련 기술
- 운동량 관측기(Momentum Observer)
- 외란 관측기(Disturbance Observer)
- 힘/토크 센서(Force/Torque Sensor)
- 준 다이렉트 드라이브(Quasi Direct Drive)
- 시스템 식별(System Identification)
- 로봇 암 야코비안(Manipulator Jacobian)
관련 용어
관련 프로젝트
- Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
- MoveIt 2: Motion planning framework for ROS 2 robot arms, with kinematics and collision checking
- DART: C++ physics engine for articulated rigid body dynamics and robotics simulation
- frax: JAX library for fast, differentiable robot kinematics, dynamics and inverse kinematics
- mjfit: Exact convex collision geometry for MuJoCo pegs, holes, threads and gears