[論文レビュー] Bounded Collision Force by the Sobolev Norm: Compliance and Control for Interactive Robots.

Kevin Haninger, Dragoljub Šurdilović|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2018

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、柔軟ロボットにおける最大衝突力の厳密なバウンディングを可能にするシステムレベルの指標としてソボレフノルムを導入し、安全性のための解析と制御設計を可能にした。ソボレフノルムを変換されたシステムのH₂ノルムと結びつけることで、影響力の最小化に向けた効率的な計算と制御則設計が可能となり、アドミタンス制御を施したロボットおよび柔軟なジョイントを持つロボットを用いた実験的・シミュレーション的検証がなされた。

ABSTRACT

A robot making contact with an environment or human presents potential safety risks, including excessive collision force. While experiments on the effect of robot inertia, relative velocity, and interface stiffness on collision are in literature, analytical models for maximum collision force are limited to a simplified mass-spring robot model. This simplified model limits the analysis of control (force/torque, impedance, or admittance) or compliant robots (joint and end-effector compliance). Here, the Sobolev norm is adapted to be a system norm, giving rigorous bounds on the maximum force on a stiffness element in a general dynamic system, allowing the study of collision with more accurate models and feedback control. The Sobolev norm can be found through the H 2 norm of a transformed system, allowing efficient computation, connection with existing control theory, and controller synthesis to minimize collision force. The Sobolev norm is validated, first experimentally with an admittance-controlled robot, then in simulation with a linear flexible-joint robot. It is then used to investigate the impact of control, joint flexibility and end-effector compliance on collision, and a trade-off between collision performance and environmental estimation uncertainty is shown.

研究の動機と目的

• 簡素化されたマススプリングモデルを超えた、複雑で柔軟性を持つロボットシステムにおける最大衝突力の解析的モデルの欠如に対処すること。
• ロボットと環境の接触時における最大力の定量的評価を可能にする、厳密で一般化可能なシステムノルムの開発。
• 既存の制御理論フレームワーク内にソボレフノルムを統合することで、衝突力を最小化する制御則設計を可能にすること。
• インタラクティブロボットシステムにおける衝突安全性と環境パラメータ推定の不確実性のトレードオフを調査すること。

提案手法

• 一般の動的システムにおけるばね要素にかかる最大力の定量的評価を目的として、ソボレフノルムをシステムノルムとして適応すること。
• ソボレフノルムと変換されたシステムのH₂ノルムの数学的同等性を確立し、効率的な計算を可能にすること。
• 変換されたシステム表現を用いて、ソボレフノルムを既存の制御理論ツールと接続し、制御則設計を可能にすること。
• アドミタンス制御を施したロボットを用いた実験的検証と、線形な柔軟ジョイントロボットモデルを用いたシミュレーションによる検証。
• 制御戦略、ジョイントの柔軟性、エンドエフェクタのばね定数が衝突性能に与える影響を、ノルムを用いて分析すること。
• 衝突力の最小化と環境パrameter推定の不確実性の間のトレードオフを定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソボレフノルムを、柔軟ロボットにおける最大衝突力のバウンディングを目的としたシステムレベルのノルムとして形式的にどのように適応できるか？
• RQ2 ソボレフノルムと変換されたシステムのH₂ノルムの関係は何か？この関係がどのように効率的な計算を可能にするか？
• RQ3 ソボレフノルムに基づく制御則設計は、インタラクティブロボットシステムにおける最大衝突力の低減にどの程度効果を発揮するか？
• RQ4 ジョイントの柔軟性とエンドエフェクタのばね定数は、ソボレフノルムによってどのように衝突力に影響を及ぼすか？
• RQ5 ロボットの相互作用において、衝突力の最小化と環境パrameter推定の正確性を両立させる際のトレードオフは何か？

主な発見

• ソボレフノルムは、簡素化されたマススプリングモデルを超えた柔軟ロボットにおける最大衝突力の厳密で解析的に取り扱えるバウンディングを提供する。
• ソボレフノルムは、変換されたシステムのH₂ノルムを用いて評価できるため、計算が効率的であり、標準的な制御設計手法との統合が可能である。
• アドミタンス制御を施したロボットを用いた実験的検証により、ソボレフノルムが現実の衝突シナリオにおいて正確かつ実用的であることが確認された。
• 柔軟ジョイントロボットを用いたシミュレーション結果から、本手法が複雑で現実的であるロボットシステムへの適用可能性が示された。
• 本研究では、衝突力の最小化と環境パrameter推定の不確実性の低減の間にある根本的なトレードオフが明らかになった。
• 本手法により、ロボットと環境の相互作用における安全性を最優先にした制御則の体系的分析と設計が可能になった。