Admittance Control

Também chamado: position-based impedance control
Categoria: Control › Force & interaction control
Tags: force-control, compliance, interaction-control, human-robot-interaction, manipulation

Um esquema de controle de força que mede a força aplicada a um robô e a converte em um comando de movimento, fazendo um robô controlado em posição se comportar como um sistema massa-mola-amortecedor escolhido.

Definição

Controle de admitância (admittance control) faz um robô responder a forças externas com um comportamento dinâmico prescrito, geralmente o de um sistema virtual massa-mola-amortecedor. O controlador mede a força de interação, tipicamente com um sensor de força/torque no punho ou em uma alça, passa essa força por um modelo como M ẍ + D ẋ + K x = F_ext e integra o resultado para obter um deslocamento de posição ou de velocidade. Esse deslocamento é somado à trajetória de referência e enviado a um controlador interno de posição ou de velocidade. Em termos mecânicos, uma admitância mapeia força em movimento, e é exatamente isso que o controlador faz: lê força e gera movimento.

O controle de admitância é a contrapartida do controle de impedância. O controle de impedância mede movimento, como erro de posição e de velocidade, e comanda força ou torque, então precisa de um robô com bom controle de torque e baixo atrito, como um braço controlado por torque ou retroacionável. O controle de admitância mede força e comanda movimento, então é adequado a robôs com controle de posição rígido e de alto ganho, incluindo a maioria dos braços industriais com redutores de alta relação, cujo atrito nas juntas mascararia forças pequenas. Ambos buscam o mesmo comportamento-alvo, mas seus pontos fortes práticos são opostos. O controle de impedância funciona bem ao reproduzir rigidez baixa e em movimento livre, e mal quando se exige que seja muito rígido. O controle de admitância reproduz bem comportamento rígido, mas pode oscilar ou trepidar quando a massa e o amortecimento virtuais são baixos e o robô toca um ambiente rígido.

O ajuste gira em torno desse compromisso. Massa e amortecimento virtuais baixos fazem o robô parecer leve quando uma pessoa o guia, mas aumentam o risco de oscilação contra contatos rígidos e amplificam o ruído do sensor. Valores mais altos são estáveis, mas parecem lentos. As implementações filtram o sinal de força, compensam o peso da ferramenta montada além do sensor, acrescentam uma zona morta para rejeitar a deriva do sensor e muitas vezes variam os parâmetros em tempo real conforme o robô esteja no espaço livre, sendo guiado ou em contato.

Por que importa

A maioria dos braços industriais e muitos colaborativos são controlados em posição e não oferecem controle preciso de torque nas juntas. O controle de admitância é o modo usual de dar a esses robôs um comportamento complacente para condução manual, montagem e tarefas de contato com um sensor de força adicional, e entender seus limites de estabilidade evita oscilação quando o robô encontra uma superfície rígida.

Principais aplicações

Condução manual e ensino por condução (lead-through) de braços industriais e colaborativos
Inserção de pino em furo (peg-in-hole) e outras montagens com realimentação de força
Robôs de reabilitação e exoesqueletos que respondem ao esforço do usuário
Colaboração física humano-robô, como carregar uma carga juntos
Polimento, lixamento e outros acabamentos de superfície com contato regulado
Controle de interação para drones e robôs móveis, em que forças externas deslocam uma posição comandada

Na prática

Um integrador acrescenta condução manual a um braço industrial controlado em posição para que os operadores possam ensinar waypoints empurrando a ferramenta. Um sensor de força/torque de seis eixos fica entre o flange e uma alça. A cada ciclo de controle, o software subtrai o viés do sensor e a carga gravitacional da alça, aplica uma pequena zona morta e passa a força restante por um modelo virtual massa-amortecedor sem mola, de modo que o braço se move na direção em que é empurrado e para quando é solto. A velocidade resultante é integrada em um deslocamento de posição e transmitida continuamente para a interface de posição do robô. Os testes mostram que o braço trepida quando o operador pressiona a ferramenta contra um gabarito de aço, então a equipe aumenta o amortecimento virtual quando as forças de contato ultrapassam um limiar e volta a reduzi-lo em movimento livre.

Equívocos comuns

Controle de admitância e controle de impedância são a mesma coisa — buscam o mesmo comportamento, mas em direções opostas: a admitância lê força e comanda movimento, a impedância lê movimento e comanda força
Massa e amortecimento virtuais menores sempre dão melhor complacência — fazem o robô parecer mais leve, mas reduzem a estabilidade em contato rígido e amplificam o ruído do sensor de força
O controle de admitância precisa de juntas controladas por torque — ele é projetado para robôs controlados em posição ou em velocidade e depende, em vez disso, de uma medição externa de força

Quem deve saber

Engenheiros de controle de força e de manipulação
Integradores que acrescentam condução manual a braços industriais
Desenvolvedores de reabilitação e de exoesqueletos
Pesquisadores de interação física humano-robô

Tecnologias relacionadas

Sensor de força/torque de seis eixos (Six-Axis Force-Torque Sensor)
Modelo virtual massa-mola-amortecedor (Virtual Mass-Spring-Damper Model)
Compensação da gravidade da ferramenta (Tool Gravity Compensation)
Interfaces de controle de posição e de velocidade (Position and Velocity Control Interfaces)
Controle de admitância variável (Variable Admittance Control)

Termos relacionados

Projetos relacionados

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