Energy tank

Também chamado: virtual energy tank, tank-based passivity
Categoria: Control › Force & interaction control
Tags: passivity, interaction-control, safety, teleoperation, impedance-control

Um reservatório virtual de energia no controlador de um robô que contabiliza a energia dissipada e injetada, permitindo ações de controle não passivas só enquanto o tanque tiver energia, para que o sistema continue passivo.

Definição

Um tanque de energia (energy tank) é um elemento de armazenamento virtual adicionado ao controlador de um robô para manter o sistema em malha fechada passivo e, ao mesmo tempo, permitir ações de controle que não são passivas por si mesmas. Passividade significa que um sistema não pode liberar mais energia do que tem armazenada mais a que recebeu, e um robô passivo interagindo com um ambiente passivo, como uma pessoa ou uma superfície rígida, permanece estável. O controle de impedância com rigidez e amortecimento constantes é passivo, mas muitas extensões úteis não são: rigidez variável no tempo, rastreamento de força, alternância entre tarefas, políticas aprendidas e comunicação com atraso na teleoperação podem injetar energia e causar instabilidade ou movimento inseguro.

O tanque é um estado do controlador, comumente escrito x_t com energia armazenada T = ½ x_t², acoplado ao restante do controlador por uma porta de potência. A energia que o controlador dissipa, por exemplo por meio do seu termo de amortecimento, flui para o tanque, e a energia exigida pela parte não passiva do controlador é retirada dele. Enquanto o tanque tiver energia, a ação não passiva é permitida; quando a energia armazenada cai até um limiar inferior, essa ação é desligada ou reduzida e o controlador volta a um comportamento passivo, o que também mantém o estado do tanque longe de zero, onde sua dinâmica se torna singular. Um limite superior para a energia armazenada impede que o tanque acumule uma reserva grande o bastante para liberar uma descarga perigosa mais tarde. Como robô, controlador e tanque juntos só trocam energia com o ambiente pela porta de interação física, o sistema aumentado é passivo por construção. A ideia surgiu da modelagem port-Hamiltoniana e da teleoperação bilateral baseada em passividade, e hoje é amplamente usada no controle de impedância variável e na interação física humano-robô.

Tanques de energia limitam quanta energia o controlador pode injetar ao longo do tempo, mas não com que rapidez. Um tanque cheio ainda pode ser esvaziado depressa, então a potência, e com ela a força ou a velocidade de pico, só é limitada indiretamente pelos limites do tanque. Escolher a energia inicial, os limiares e a política de recarga faz parte do projeto, e um orçamento pequeno demais faz o controlador voltar com frequência ao comportamento passivo. Camadas de segurança baseadas em potência e funções barreira de controle sobre energia ou potência são abordagens relacionadas que restringem diretamente a taxa do fluxo de energia; o trabalho sobre veículos aéreos em interação física listado abaixo propõe uma camada baseada em potência por esse motivo.

Por que importa

Robôs que tocam pessoas e o que está ao redor delas precisam de controladores que se adaptem, aprendam ou rastreiem forças, e muitas dessas mudanças quebram as garantias de estabilidade do controle de interação clássico. Os tanques de energia oferecem uma forma simples e geral de manter uma garantia de passividade permitindo esses comportamentos, o que os tornou um elemento de segurança padrão em interação física, teleoperação e controle de impedância variável.

Principais aplicações

Controle de impedância variável e de rigidez variável
Teleoperação bilateral com atraso de comunicação
Interação física humano-robô com controladores adaptativos ou aprendidos
Rastreamento de força e tarefas de contato em manipuladores e robôs aéreos
Alternância de tarefas e controle priorizado sem perda de passividade

Na prática

Um braço colaborativo opera com controle de impedância e precisa ficar mais rígido ao carregar uma peça e mais macio quando uma pessoa o guia com a mão. Aumentar a rigidez enquanto o braço está defletido acrescenta energia à mola virtual, o que pode quebrar a passividade. A equipe adiciona um tanque de energia: o termo de amortecimento do controlador de impedância o enche, e cada aumento de rigidez retira dele a energia correspondente. Eles escolhem um orçamento inicial e um limite superior e registram o nível do tanque durante os testes. Quando um operador empurra o braço repetidamente enquanto o perfil de rigidez está subindo, o tanque se esvazia até o limiar inferior, a mudança de rigidez é pausada e o braço continua com sua última impedância até o amortecimento ter enchido o tanque de novo.

Equívocos comuns

Um tanque de energia limita diretamente a força ou a velocidade — ele limita a energia ao longo do tempo, e um tanque cheio ainda pode liberar energia rapidamente, então a potência só é limitada indiretamente
Um controlador passivo é seguro em todos os sentidos — a passividade garante uma interação estável com ambientes passivos, não que forças de contato, velocidades ou limites do espaço de trabalho fiquem dentro de valores seguros
O tanque é um componente físico — é um estado virtual dentro do software do controlador, sem contrapartida em hardware
Um tanque maior é sempre melhor — um orçamento armazenado maior permite ações não passivas maiores e liberações de energia maiores, o que enfraquece o benefício de segurança

Quem deve saber

Engenheiros de controle de interação e de impedância
Desenvolvedores de sistemas de teleoperação
Pesquisadores de interação física humano-robô
Engenheiros de manipulação aérea e inspeção por contato

Tecnologias relacionadas

Controle baseado em passividade (Passivity-Based Control)
Sistemas port-Hamiltonianos (Port-Hamiltonian Systems)
Controle de impedância variável
Controle de passividade no domínio do tempo (Time-Domain Passivity Control)
Funções barreira de controle

Termos relacionados

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