Proprioception
- 又稱: Self-Awareness, Body Sense
- 類別: Sensing › Proprioceptive
- 標籤: sensors, internal-state
機器人對自身身體位置與動作的內部感覺。
定義
本體感知是機器人對自身身體位置與運動的感知，類似人類的本體感覺。透過關節編碼器、力感測器與 IMU 實現。對平衡、碰撞偵測與協調運動至關重要。
為何重要
本體感知是機器人對自身身體的感覺，包括關節位置、速度、扭矩與接觸，有別於感測外部世界的外部感知。它之所以重要，是因為它是所有其他功能底下那個快速、可靠、隨時可用的訊號：攝影機可能被遮蔽，光達（LiDAR）可能被誤導，但關節編碼器與馬達電流會持續回報。平衡控制器、力控制與碰撞偵測主要都靠本體感知運作，其速率是任何視覺處理流程都無法比擬的。
主要應用
- 足式與自平衡機器人的平衡與姿態控制
- 從非預期的關節扭矩偵測碰撞，不需額外感測器
- 接觸密集任務的力控制與阻抗控制
- 狀態估計，提供融合演算法所依賴的快速內層訊號
- 安全監控，偵測堵轉、過載與非預期的阻力
- 學習而得的策略，其中關節狀態是觀測的核心
實際應用
四足機器人的平衡迴路只靠 IMU 與關節回饋，就能以數百赫茲的速率運作，視覺只提供較慢、較高層的引導。在機器手臂上，本體感知讓無感測器碰撞偵測成為可能：從馬達電流推估出某個關節上的非預期扭矩，就代表發生了接觸，完全不需要專用的力感測器。這也是可回驅致動器如此重要的原因：高減速比的齒輪關節會把接觸力藏在摩擦之後，而準直驅則讓這些力能被感受到。
常見誤解
- 本體感知只代表關節角度：速度、扭矩、電流與接觸狀態都屬於本體感知
- 視覺可以取代它：對內層控制迴路而言，攝影機太慢，也太容易被遮擋
- 它需要專用感測器：其中很大一部分是從致動器編碼器與馬達電流推估而來
- 本體感知天生就準確：齒輪、摩擦與變形都隔在感測器與實際物理狀態之間
誰需要了解
- 任何在建構平衡或力控制迴路的人
- 在決定某個關節是否需要專用扭矩感測器的工程師
- 為學習而得之策略設計觀測空間的開發者
- 學習內部與外部感測之分的學生
- 任何要在不增加硬體的情況下實作碰撞偵測的人
相關技術
- 慣性量測單元（IMU）
- 關節扭矩感測器
- 旋轉編碼器
- 狀態估計
- 順應致動器
- 卡爾曼濾波器
- 力/力矩感測器
- 全身控制
相關術語
相關專案
- Gazebo: Industry-standard open-source robotics simulator with multi-physics and ROS integration
影片
- Robot Self Awareness: The Key To Proprioception: Robotics Education