Силовое управление

Роботизированная рука захватывает хрупкий предмет, не раздавливая его.

Управление силой — это управление силой , с которой машина или манипулятор робота воздействует на объект или его среду. Контролируя силу контакта , можно предотвратить повреждение машины, а также обрабатываемых объектов и травмы при обращении с людьми. В производственных задачах он может компенсировать ошибки и снижать износ за счет поддержания равномерного контактного усилия. Управление по усилию дает более стабильные результаты, чем управление по положению , которое также используется при управлении машинами. Силовое управление может использоваться как альтернатива обычному управлению движением , но обычно используется дополняющим образом, в виде концепций гибридного управления. Действующая сила управления обычно измеряется с помощью датчиков силы или оценивается по току двигателя.

Управление силой было предметом исследований на протяжении почти трех десятилетий и все больше открывает новые области применения благодаря достижениям в области датчиков и исполнительных технологий, а также новым концепциям управления. Управление усилием особенно подходит для контактных задач, которые служат для механической обработки заготовок, но оно также используется в телемедицине , сервисном роботе и сканировании поверхностей.

Для измерения силы существуют датчики силы, которые могут измерять силы и крутящие моменты во всех трех пространственных направлениях. В качестве альтернативы силы можно оценить и без датчиков, например, на основе токов двигателя. косвенное управление силой путем моделирования робота как механического сопротивления В качестве концепций управления используются (импеданса) и прямое управление силой в параллельных или гибридных концепциях. Адаптивные подходы , нечеткие контроллеры и машинное обучение для управления силой в настоящее время являются предметом исследований.

Общие

Ошибка управления движением (красный) в отличие от управления усилием (зеленый).

Управление силой контакта между манипулятором и окружающей его средой становится все более важной задачей в сфере механического производства, а также промышленных и сервисных роботов . Одной из причин использования силового контроля является безопасность человека и машины. По разным причинам движения робота или частей машины могут блокироваться препятствиями во время работы программы. В сервисном роботе это могут быть движущиеся объекты или люди, в промышленной робототехнике проблемы могут возникнуть из-за взаимодействующих роботов, изменения рабочей среды или неточной модели окружающей среды. Если траектория смещена при классическом управлении движением и, таким образом, невозможно приблизиться к запрограммированной позе(ам) робота , управление движением увеличит управляющую переменную - обычно ток двигателя - чтобы исправить ошибку положения. Увеличение регулируемой переменной может иметь следующие последствия:

1. Препятствие удалено или повреждено/разрушено.
2. Машина повреждена или разрушена.
3. Превышены пределы управляемых переменных, и контроллер робота отключается.

Система контроля силы может предотвратить это, регулируя в таких случаях максимальную силу машины, что позволяет избежать повреждений или обеспечить обнаружение столкновений на ранней стадии.

В задачах механического производства неровности заготовки часто приводят к проблемам с управлением движением. Как видно на рисунке рядом, неровности поверхности приводят к слишком глубокому проникновению инструмента в поверхность во время контроля положения (красный). $P'_{1}$ или потеряете контакт с заготовкой во время контроля положения (красный) $P'_{2}$. Это приводит, например, к попеременному силовому воздействию на заготовку и инструмент при шлифовании и полировании. Здесь полезен контроль силы (зеленый), поскольку он обеспечивает равномерный съем материала за счет постоянного контакта с заготовкой.

Приложение

В контроле сил можно провести основное различие между приложениями с выраженным контактом и приложениями с потенциальным контактом. Мы говорим о выраженном контакте, когда контакт машины с окружающей средой или заготовкой является центральным компонентом задачи и явно контролируется. Сюда относятся, прежде всего, задачи механического деформирования и обработки поверхностей. В задачах с возможным контактом переменной функции процесса является положение машины или ее частей. Большие контактные силы между машиной и окружающей средой возникают из-за динамической среды или неточной модели среды. В этом случае машина должна поддаваться окружающей среде и избегать больших контактных сил.

Промышленный робот сгибает металлические листы на фальцевальной машине

Сегодня основными приложениями контроля силы являются механические производственные операции. Это, в частности, означает производственные задачи, такие как шлифовка , полировка и удаление заусенцев , а также процессы с контролируемым усилием, такие как контролируемое соединение, изгиб и запрессовка болтов в заранее изготовленные отверстия. Другое распространенное применение контроля силы — сканирование неизвестных поверхностей. Здесь управление силой используется для установки постоянного контактного давления в нормальном направлении к поверхности, а сканирующая головка перемещается в направлении поверхности посредством управления положением. Затем поверхность можно описать в декартовых координатах с помощью прямой кинематики.

Другие применения силового контроля с возможным контактом можно найти в медицинских технологиях и взаимодействующих роботах. Роботы, используемые в телемедицине , то есть при проведении медицинских операций с помощью роботов, могут более эффективно предотвращать травмы за счет управления силой. прямая обратная связь измеренных контактных сил оператору посредством устройства управления с силовой обратной связью Кроме того, большой интерес здесь представляет . Возможные применения этого распространяются на телеоперации через Интернет.

В принципе, силовое управление также полезно везде, где машины и роботы взаимодействуют друг с другом или с людьми, а также в средах, где окружающая среда не описана точно или является динамической и не может быть точно описана. Здесь силовое управление помогает справиться с препятствиями и отклонениями в модели окружающей среды и избежать повреждений.

История

Первая важная работа по контролю над силой была опубликована в 1980 году Джоном Кеннетом Солсбери в Стэнфордском университете . В нем он описывает метод активного управления жесткостью, простую форму управления импедансом. Однако метод пока не допускает совмещения с управлением движением, а здесь силовое управление осуществляется во всех пространственных направлениях. Поэтому необходимо знать положение поверхности. Из-за более низкой производительности контроллеров роботов того времени силовое управление можно было осуществлять только на мэйнфреймах. Таким образом был достигнут такт регулятора ≈100 мс.

В 1981 году Райберт и Крейг представили статью о гибридном управлении силой и положением, которая важна и сегодня. В этой статье они описывают метод, в котором матрица (матрица разделения) используется для явного указания для всех пространственных направлений, будет ли использоваться управление движением или силой. Райберт и Крейг просто набросают концепции контроллера и предполагают, что они осуществимы.

В 1989 году Койво представил расширенное изложение концепций Райберта и Крейга. Здесь по-прежнему необходимо точное знание положения поверхности, что до сих пор не позволяет решать типичные сегодня задачи управления силой, такие как сканирование поверхностей.

Управление силой было предметом интенсивных исследований на протяжении последних двух десятилетий и добилось больших успехов с развитием сенсорных технологий и алгоритмов управления. Вот уже несколько лет крупные производители технологий автоматизации предлагают пакеты программного и аппаратного обеспечения для своих контроллеров, позволяющие управлять усилием. Современные контроллеры машин способны управлять силой в одном пространственном направлении в режиме реального времени с временем цикла менее 10 мс.

Измерение силы

Основная статья: Измерение силы

Чтобы замкнуть контур регулирования силы в смысле регулирования с обратной связью, необходимо знать мгновенное значение контактной силы. Контактную силу можно измерить непосредственно или оценить.

силы

Тензорезистор из фольги

Тривиальным подходом к контролю силы является прямое измерение возникающих контактных сил с помощью датчиков силы/момента на концевом исполнительном механизме машины или на запястье промышленного робота. Датчики силы/момента измеряют возникающие силы, измеряя деформацию датчика. Самый распространенный способ измерения деформации — с помощью тензодатчиков .

Помимо широко используемых тензорезисторов, изготовленных из переменных электрических сопротивлений, существуют и другие варианты, в которых для измерения используются пьезоэлектрические , оптические или емкостные принципы. Однако на практике они используются только для особых целей. Например, емкостные тензорезисторы также можно использовать в диапазоне высоких температур выше 1000 °C.

Тензометры сконструированы таким образом, чтобы иметь как можно более линейную зависимость между деформацией и электрическим сопротивлением в рабочем пространстве. Кроме того, существует несколько возможностей уменьшения ошибок измерения и помех. Для исключения температурных влияний и повышения надежности измерений два тензорезистора могут быть расположены взаимодополняюще.

Современные датчики силы/момента измеряют как силы, так и крутящие моменты во всех трех пространственных направлениях и доступны практически в любом диапазоне значений. Точность обычно находится в диапазоне промилле максимального измеренного значения. Частота дискретизации датчиков находится в диапазоне около 1 кГц. Расширением 6-осевых датчиков силы/момента являются 12- и 18-осевые датчики, которые в дополнение к шести компонентам силы или крутящего момента также способны измерять по шесть компонентов скорости и ускорения каждый.

Шестиосевой датчик силы/момента

Датчик силы/момента с измерением трех составляющих силы и трех моментов.

В современных приложениях часто используются так называемые шестиосные датчики силы/момента. Они устанавливаются между рукой робота и концевым эффектором и могут регистрировать как силы, так и крутящие моменты во всех трех пространственных направлениях. Для этой цели они оснащаются шестью и более тензодатчиками (возможно, тензометрическими мостами), регистрирующими деформации в микрометровом диапазоне. Эти деформации преобразуются в три компонента силы и крутящего момента с помощью калибровочной матрицы.

Датчики силы/момента содержат цифровой процессор сигналов, который непрерывно собирает и параллельно фильтрует данные датчика (деформацию), вычисляет данные измерений (силы/моменты) и предоставляет их через интерфейс связи датчика.

Измеренные значения соответствуют силам, действующим на датчик, и обычно их еще необходимо преобразовать в силы и крутящие моменты на концевом эффекторе или инструменте посредством соответствующего преобразования.

Поскольку датчики силы/момента все еще относительно дороги (от 4000 до 15 000 евро) и очень чувствительны к перегрузкам и возмущениям, они, а, следовательно, и средства контроля силы, неохотно используются в промышленности. Косвенное измерение или оценка силы является одним из решений, позволяющим контролировать силу без дорогостоящих и подверженных помехам датчиков силы.

Оценка силы

Экономичной альтернативой прямому измерению силы является оценка силы (также известная как «косвенное измерение силы»). Это позволяет отказаться от использования датчиков силы/момента. Помимо экономии средств, отказ от этих датчиков имеет и другие преимущества: датчики силы обычно являются самым слабым звеном в механической цепи машины или робототехнической системы, поэтому отказ от них обеспечивает большую стабильность и меньшую восприимчивость к механическим неисправностям. Кроме того, отказ от датчиков силы/момента повышает безопасность, поскольку нет необходимости прокладывать и защищать кабели датчиков непосредственно на запястье манипулятора.

Распространенным методом косвенного измерения или оценки силы является измерение токов двигателя, применяемых для управления движением. С некоторыми ограничениями они пропорциональны крутящему моменту, приложенному к приводной оси робота. С учетом гравитационного, инерционного и фрикционного воздействия токи двигателя в значительной степени линейны по отношению к крутящим моментам отдельных осей. Контактная сила на концевом эффекторе может быть определена через известные таким образом крутящие моменты.

Разделение динамических и статических сил

Во время измерения и оценки силы может потребоваться фильтрация сигналов датчиков. Могут возникнуть многочисленные побочные эффекты и вторичные силы, которые не соответствуют измерению контактной силы. Особенно это актуально, если на манипуляторе установлена ​​большая масса груза. Это мешает измерению силы, когда манипулятор движется с большими ускорениями.

Чтобы иметь возможность корректировать измерения с учетом побочных эффектов, необходимо иметь как точную динамическую модель машины, так и модель или оценку нагрузки. Эту оценку можно определить с помощью эталонных движений (свободное движение без контакта с объектом). После оценки нагрузки измерение или оценку сил можно скорректировать с учетом Кориолиса , центростремительных и центробежных сил, гравитации и трения эффектов , а также инерции . Здесь также можно использовать адаптивные подходы для непрерывной корректировки оценки нагрузки.

Концепции управления

Для управления усилием используются различные концепции управления. В зависимости от желаемого поведения системы различают концепции прямого силового управления и косвенного управления посредством задания податливости или механического сопротивления. Как правило, силовое управление сочетается с управлением движением. Концепции управления силой должны учитывать проблему связи между силой и положением: если манипулятор находится в контакте с окружающей средой, изменение положения также означает изменение контактной силы.

Контроль импеданса

Контроль импеданса , или контроль податливости, регулирует податливость системы, т. е. связь между силой и положением при контакте с объектом. Соответствие определяется в литературе как «мера способности робота противодействовать контактным силам». Существуют пассивный и активный подходы к этому. Здесь податливость робототехнической системы моделируется как механическое сопротивление, которое описывает взаимосвязь между приложенной силой и результирующей скоростью. Здесь машина или манипулятор робота рассматривается как механическое сопротивление с позиционными ограничениями, налагаемыми окружающей средой. Соответственно, причинность механического сопротивления описывает, что движение робота приводит к возникновению силы. С другой стороны, при механическом адмиттанте сила, приложенная к роботу, приводит к результирующему движению.

Пассивный контроль импеданса

Удаленный центр соответствия поддается ротационным и поступательным отклонениям во время операции установки.

Пассивный контроль соответствия (также известный как контроль соответствия) не требует измерения силы, поскольку не существует явного контроля силы. Вместо этого манипулятор и/или концевой эффектор имеют гибкую конструкцию, позволяющую минимизировать контактные силы, возникающие во время выполняемой задачи. Типичные области применения включают операции вставки и захвата. Концевой эффектор сконструирован таким образом, что он допускает поступательные и вращательные отклонения, ортогональные направлению захвата или введения, но имеет высокую жесткость в направлении захвата или введения. На рисунке напротив показан так называемый удаленный центр соответствия (RCC), который делает это возможным. В качестве альтернативы ПКР всю машину можно сделать конструктивно эластичной.

Пассивное управление импедансом является очень хорошим решением с точки зрения динамики системы отсутствуют задержки , поскольку из-за контроля . Однако пассивный контроль соответствия часто ограничивается механическими характеристиками конечного исполнительного органа, выполняющего задачу, и не может быть легко применен к различным и меняющимся задачам или условиям окружающей среды.

Активный контроль импеданса

Под активным контролем соответствия понимается управление манипулятором, основанное на отклонении конечного эффектора. Это особенно удобно для управления роботами оператором, например, в рамках процесса обучения .

Активный контроль соответствия основан на идее представления системы машина и окружающая среда как системы пружина-демпфер-масса. Сила $F$ и движение (положение $x(t)\!\,$, скорость ${\dot {x}}(t)$, и ускорение ${\ddot {x}}(t)$ напрямую связаны через уравнение массы пружины-амортизатора:

$F(t)=c\cdot x(t)+d\cdot {\dot {x}}(t)+m\cdot {\ddot {x}}(t)$

Податливость или механическое сопротивление системы определяется жесткостью. $c$, демпфирование $d$ и инерция $m$ и на него могут влиять эти три переменные. Управлению задается механическое целевое сопротивление через эти три переменные, что достигается с помощью управления машиной.

Блок-схема управления активным сопротивлением с указанием силы $F_{soll}$ и позиция $X_{soll}$.

На рисунке показана блок-схема силового управления импедансом. Импеданс на блок-схеме представляет собой упомянутые компоненты L, A и . Управление импедансом на основе положения может быть спроектировано аналогично внутреннему управлению положением или движением.

податливость ( адмиттанс Альтернативно и аналогично, вместо сопротивления можно контролировать ). В отличие от управления импедансом, адмиттанс появляется в законе управления как величина, обратная импедансу.

Прямое управление силой

Вышеупомянутые концепции представляют собой так называемое косвенное управление силой, поскольку контактная сила не задается явно как командная переменная, а определяется косвенно через параметры контроллера: демпфирование , жесткость и (виртуальную) массу . Прямое управление силой представлено ниже.

Прямое управление силой использует желаемую силу в качестве заданного значения в замкнутом контуре управления . Оно реализуется как параллельное управление усилием/положением в форме каскадного управления или как гибридное управление усилием/положением, при котором происходит переключение между управлением положением и усилием.

Параллельное управление силой/положением

Одной из возможностей управления силой является параллельное управление силой/положением. Управление выполнено в виде каскадного управления и имеет внешний контур регулирования силы и внутренний контур регулирования положения. Как показано на следующем рисунке, соответствующая коррекция подачи рассчитывается на основе разницы между номинальным и фактическим усилием. Эта коррекция подачи компенсируется значениями команды положения, при этом в случае слияния $X_{soll}$ и $X_{korr}$, команда положения управления усилием ( $X_{korr}$ ) имеет более высокий приоритет, т.е. ошибка положения допускается в пользу правильного управления усилием. Значение смещения является входной переменной для внутреннего контура управления положением.

Блок-схема параллельного управления силой/положением с указанием силы ( $F_{soll}$) и положение ( $X_{soll}$).

Аналогично внутреннему управлению положением также может иметь место внутреннее управление скоростью, которое имеет более высокую динамику. В этом случае внутренний контур управления должен иметь насыщение, чтобы не создавать (теоретически) произвольно возрастающую скорость при свободном движении до тех пор, пока не будет установлен контакт.

управление силой

Улучшением по сравнению с вышеупомянутыми концепциями является гибридное управление усилием/положением, которое работает с двумя отдельными системами управления и может также использоваться с твердыми, негибкими контактными поверхностями. При гибридном управлении силой/положением пространство делится на ограниченное и неограниченное пространство. Стесненное пространство содержит ограничения, например в виде препятствий, и не позволяет свободно передвигаться; неограниченное пространство позволяет свободно передвигаться. Каждое измерение пространства является либо ограниченным, либо неограниченным.

Блок-схема гибридного управления силой/положением с матрицей разделения Σ.

При гибридном управлении силой управление силой используется для ограниченного пространства, а управление положением — для неограниченного пространства. На рисунке показано такое управление. Матрица Σ указывает, какие направления пространства ограничены, и представляет собой диагональную матрицу, состоящую из нулей и единиц.

Какое пространственное направление ограничено, а какое нет, можно, например, указать статически. Затем управление силой и положением явно указывается для каждого пространственного направления; матрица Σ тогда статична. Другая возможность — динамическое переключение матрицы Σ на основе измерения силы. Таким образом, при установлении контакта или столкновения можно переключиться с управления положением на управление силой для отдельных пространственных направлений. В случае контактных задач все пространственные направления будут управляться движением в случае свободного движения, а после установления контакта направление контакта будет переключено на силовое управление путем выбора соответствующей матрицы Σ.

Исследования

В последние годы предметом исследований все чаще становятся адаптивные концепции, использование нечеткой системы управления и машинного обучения , а также силовое управление всем телом.

силой

Упомянутые ранее неадаптивные концепции основаны на точном знании параметров динамического процесса. Обычно они определяются и корректируются путем экспериментов и калибровки. Проблемы могут возникнуть из-за ошибок измерения и переменных нагрузок. При адаптивном силовом управлении части системы, зависящие от положения и, следовательно, изменяющиеся во времени, рассматриваются как флуктуации параметров и постоянно адаптируются в ходе управления посредством адаптации .

Из-за изменения управления не может быть дана гарантия динамической устойчивости системы. Поэтому адаптивное управление обычно сначала используется в автономном режиме, а результаты тщательно проверяются в моделировании перед использованием в реальной системе.

машинное

Обязательным условием применения классических методов проектирования является явная модель системы. Если это сложно или невозможно представить, можно рассмотреть нечеткие контроллеры или машинное обучение. С помощью нечеткой логики знания, полученные человеком, могут быть преобразованы в управляющее поведение в форме нечетких спецификаций управления. Таким образом, явное указание параметров контроллера больше не требуется.

Более того, подходы, использующие машинное обучение, больше не требуют от людей создания управляющего поведения, а используют машинное обучение в качестве основы для управления.

Контроль всего тела

Из-за высокой сложности современных робототехнических систем, таких как роботы-гуманоиды , необходимо контролировать большое количество задействованных степеней свободы. Кроме того, подобные системы все чаще используются в непосредственной среде обитания человека. Соответственно, концепции управления силой и сопротивлением специально используются в этой области для повышения безопасности, поскольку это позволяет роботу взаимодействовать с окружающей средой и людьми соответствующим образом.

Библиография

• Бруно Сицилиано , Луиджи Виллани (2000), Robot Force Control , Springer, ISBN  0-7923-7733-8
• Вольфганг Вебер (2002), промышленные роботы. Методы контроля и регулирования , Fachbuchverlag Leipzig, ISBN  3-446-21604-9
• Лоренцо Скьявикко , Бруно Сицилиано (1999), Моделирование и управление роботами-манипуляторами , Springer, ISBN  1-85233-221-2
• Клаус Рихтер (1991), силовое управление эластичными роботами , VDI-Verlag, ISBN  3-18-145908-9