Energy tank
- 又稱: virtual energy tank, tank-based passivity
- 類別: Control › Force & interaction control
- 標籤: passivity, interaction-control, safety, teleoperation, impedance-control
機器人控制器中的一個虛擬能量儲存，追蹤所耗散與注入的能量，只在槽中有能量時才允許非被動的控制動作，使系統維持被動。
定義
能量槽（energy tank）是加進機器人控制器中的一個虛擬儲能元件，用來在允許本身並非被動的控制動作的同時，維持閉迴路系統的被動性。被動性是指一個系統所釋放的能量，不能超過它所儲存的能量加上外界給它的能量；一個被動的機器人與被動的環境（例如人或剛性表面）互動時，會保持穩定。剛性與阻尼固定的阻抗控制是被動的，但許多有用的延伸並不是：時變剛性、力追蹤、任務間的切換、學習而得的策略，以及遠端操作中帶有時間延遲的通訊，都可能注入能量，造成不穩定或不安全的動作。
能量槽是控制器的一個狀態，通常寫成 x_t，其儲存的能量為 T = ½ x_t²，並透過一個功率埠與控制器的其餘部分耦合。控制器所耗散的能量（例如透過其阻尼項）會流進槽中，而控制器非被動部分所需的能量則從槽中取出。只要槽中還有能量，非被動的動作就被允許；當儲存的能量降到下限門檻時，該動作就會被關閉或按比例縮小，控制器退回被動的行為，這也讓槽的狀態遠離零，因為其動態在零點會變得奇異。儲存能量的上限，可以防止槽累積出足以在之後釋放危險能量衝擊的儲備。由於機器人、控制器與能量槽作為一個整體，只透過實體互動埠與環境交換能量，擴充後的系統在構造上就是被動的。這個概念源自埠哈密頓建模與以被動性為基礎的雙向遠端操作，如今廣泛用於可變阻抗控制與實體人機互動。
能量槽限制的是控制器隨時間能注入多少能量，而不是注入得多快。一個滿的槽仍然可以很快被清空，因此功率以及隨之而來的峰值力或速度，只能透過槽的限值間接受到約束。選擇初始能量、門檻與補充策略是設計的一部分，而預算太小會讓控制器經常退回被動的行為。以功率為基礎的安全層，以及作用在能量或功率上的控制屏障函數，是直接約束能量流動速率的相關方法；下方列出的、關於進行實體互動之飛行載具的研究，正是基於這個理由提出了一個以功率為基礎的安全層。
為何重要
會碰觸到人與周遭環境的機器人，需要能夠自我調適、學習或追蹤力的控制器，而許多這類改動會破壞傳統互動控制的穩定性保證。能量槽提供了一種簡單、通用的方式，在允許這些行為的同時維持被動性保證，因此成為實體互動、遠端操作與可變阻抗控制中的標準安全元件。
主要應用
- 可變阻抗與可變剛性控制
- 有通訊延遲的雙向遠端操作
- 採用自適應或學習式控制器的實體人機互動
- 機器手臂與空中機器人上的力追蹤與接觸任務
- 不喪失被動性的任務切換與優先順序控制
實際應用
一支協作手臂執行阻抗控制，在搬運零件時必須變硬，在有人用手引導它時必須變軟。在手臂處於偏移狀態時提高剛性，會把能量加進虛擬彈簧，這可能破壞被動性。團隊加入一個能量槽：阻抗控制器的阻尼項為它充能，而每次提高剛性都從中取出相應的能量。他們選定初始預算與上限，並在測試中記錄槽的能量水準。當操作員在剛性曲線上升期間反覆推動手臂時，槽被消耗到下限門檻，剛性的變化暫停，手臂維持最後的阻抗繼續運作，直到阻尼重新把槽填滿。
常見誤解
- 能量槽直接限制力或速度 — 它限制的是隨時間累積的能量，滿的槽仍可快速釋放能量，因此功率只受到間接約束
- 被動控制器在任何意義上都是安全的 — 被動性保證的是與被動環境的穩定互動，並不保證接觸力、速度或工作空間的限制都維持在安全值以內
- 能量槽是一個實體元件 — 它是控制器軟體內部的一個虛擬狀態，沒有對應的硬體
- 槽越大越好 — 更大的儲存預算允許更大的非被動動作與更大的能量釋放，因而削弱安全上的好處
誰需要了解
- 互動控制與阻抗控制工程師
- 遠端操作系統開發人員
- 實體人機互動研究人員
- 空中操作與接觸式檢測工程師
相關技術
- 以被動性為基礎的控制（Passivity-Based Control）
- 埠哈密頓系統（Port-Hamiltonian Systems）
- 可變阻抗控制（Variable Impedance Control）
- 時域被動性控制（Time-Domain Passivity Control）
- 控制屏障函數（Control Barrier Functions）
相關術語
- Impedance Control
- Admittance Control
- Physical Human-Robot Interaction
- Teleoperation
- Control Barrier Function
- Safety Filter
相關專案
- SO-101 Open Robot Arm: 6-DOF robot arm for teleoperation and AI robotics research
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