Hybrid Position/Force Control

• Também chamado: hybrid force/position control, hybrid force-position control, hybrid control
• Categoria: Control › Force & interaction control
• Tags: force-control, manipulation, contact-tasks, industrial-robotics, control

Um esquema de controle de braços robóticos que divide o espaço da tarefa em direções controladas em posição e direções ortogonais controladas em força, para que um robô possa se mover ao longo de uma superfície enquanto pressiona sobre ela.

Definição

Controle híbrido de posição/força (hybrid position/force control) é um método para controlar um robô em contato com o ambiente que divide a tarefa em direções em que o movimento é controlado e direções em que a força de contato é controlada. Foi formalizado por Raibert e Craig em 1981, com base na análise de restrições naturais e artificiais de Mason, publicada no mesmo ano.

A observação central é que um contato restringe o movimento em algumas direções e a força em outras. Quando um robô desliza uma ferramenta sobre uma mesa, ele não pode se mover para dentro da mesa, então controlar a posição nessa direção faz pouco sentido, mas ele pode escolher com que força pressiona. Paralelamente à mesa, ele pode se mover livremente, mas não consegue gerar uma força útil contra o nada. Por isso, o controle híbrido define um referencial de restrições no contato e usa uma matriz de seleção para atribuir cada eixo, de translação ou de rotação, a um controlador de posição ou a um controlador de força.

A malha de posição segue uma trajetória ao longo das direções livres, e a malha de força, que normalmente usa medições de um sensor de força/torque no punho, regula a força de contato ao longo das direções restritas. Suas saídas são combinadas em comandos para as juntas. A forma de combinar os dois subespaços importa: mais tarde se mostrou que a formulação original era instável para alguns braços robóticos com juntas de revolução, o que levou a formulações corrigidas, incluindo algumas baseadas no arcabouço do espaço operacional.

O controle híbrido difere do controle de impedância, que não separa direções, mas faz o robô se comportar como uma mola-amortecedor, trocando precisão de posição por complacência. O controle híbrido oferece regulação explícita da força onde ela é necessária, mas exige um modelo razoavelmente preciso da geometria do contato; se a superfície não está onde o controlador supõe, ou não está orientada como ele supõe, as direções selecionadas ficam erradas.

Por que importa

Muitas tarefas industriais e de serviço, como polimento, retificação, limpeza de superfícies e montagem, exigem que um robô controle com que força pressiona enquanto se move ao longo de uma superfície. O controle híbrido de posição/força oferece uma forma direta de especificar essas tarefas, e suas ideias de referenciais de restrição e matrizes de seleção ainda moldam a forma como tarefas com contato são programadas.

Principais aplicações

• Polimento, retificação e rebarbação
• Limpeza e passagem de pano em superfícies
• Inserção de pino em furo (peg-in-hole) e montagem
• Seguimento de contornos e inspeção de superfícies
• Manipuladores móveis e com pernas empurrando ou pressionando objetos

Na prática

Uma equipe que monta uma célula robótica de polimento define um referencial da tarefa alinhado com a superfície da peça, atribui o eixo normal à superfície ao controle de força com uma força de contato desejada e atribui os eixos tangenciais e as orientações ao controle de posição ao longo da trajetória de polimento. A malha de força lê um sensor de força/torque montado no punho, geralmente filtrado para reduzir ruído, e muitos controladores industriais oferecem isso como um modo de controle de força em que o usuário escolhe quais eixos são controlados em força. Os engenheiros ajustam os ganhos de força de forma conservadora, testam primeiro na peça real com forças desejadas baixas e observam se surgem vibrações ou perda de contato em bordas e cantos, onde a normal da superfície assumida muda.

Equívocos comuns

• Um robô pode controlar posição e força na mesma direção ao mesmo tempo — ao longo de qualquer eixo, apenas uma das duas pode ser especificada; o ambiente determina a outra
• Controle híbrido e controle de impedância são a mesma coisa — o controle híbrido regula explicitamente a força ao longo de eixos escolhidos, enquanto o controle de impedância molda uma relação de mola-amortecedor entre força e movimento
• O controle de força não precisa de um modelo do ambiente — o controle híbrido depende de conhecer a geometria do contato para escolher os eixos certos

Quem deve saber

• Programadores de robôs industriais que trabalham em tarefas com contato
• Engenheiros de manipulação e de controle
• Pesquisadores que trabalham com manipulação móvel e com pernas
• Estudantes de robótica que estudam controle de força

Tecnologias relacionadas

• Sensor de força/torque (Force/Torque Sensor)
• Controle de impedância (Impedance Control)
• Controle de admitância (Admittance Control)
• Controle no espaço operacional (Operational Space Control)
• Matriz de seleção (Selection Matrix)
• Controle de complacência (Compliance Control)

Termos relacionados

• Impedance Control
• Force/Torque Sensor
• Torque Control

Projetos relacionados

• 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

Vídeos

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