[論文レビュー] Safe and Compliant Control of Redundant Robots Using Superimposition of Passive Task-Space Controllers

Carlo Tiseo, Wolfgang Merkt+3 more|Edinburgh Research Explorer (University of Edinburgh)|Feb 27, 2020

Piezoelectric Actuators and Control被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、動的モデルの知識を必要とせず、コンプライアンス性と安全性を保証する、冗長ロボット向けの画期的な安定な制御フレームワークを提案する。複数のパassingなタスク空間コントローラーを重ね合わせ、滑らかで適応的な剛性プロファイルを用いることで、高速で動的なタスクにおいても1cm未塔の追従精度を達成するとともに、特異点や未知の環境相互作用に対してもロバストである。

ABSTRACT

Safe and compliant control of dynamic systems in interaction with the environment, e.g., in shared workspaces, continues to represent a major challenge. Mismatches in the dynamic model of the robots, numerical singularities, and the intrinsic environmental unpredictability are all contributing factors. Online optimization of impedance controllers has recently shown great promise in addressing this challenge, however, their performance is not sufficiently robust to be deployed in challenging environments. This work proposes a compliant control method for redundant manipulators based on a superimposition of multiple passive task-space controllers in a hierarchy. Our control framework of passive controllers is inherently stable, numerically well-conditioned (as no matrix inversions are required), and computationally inexpensive (as no optimization is used). We leverage and introduce a novel stiffness profile for a recently proposed passive controller with smooth transitions between the divergence and convergence phases making it particularly suitable when multiple passive controllers are combined through superimposition. Our experimental results demonstrate that the proposed method achieves sub-centimeter tracking performance during demanding dynamic tasks with fast-changing references, while remaining safe to interact with and robust to singularities. he proposed framework achieves such results without knowledge of the robot dynamics and thanks to its passivity is intrinsically stable. The data further show that the robot can fully take advantage of the redundancy to maintain the primary task accuracy while compensating for unknown environmental interactions, which is not possible from current frameworks that require accurate contact information.

研究の動機と目的

• ロボットの動的特性が不確実で特異点が生じる可能性がある、動的かつ予測不能な環境における安全でコンプライアンス性のある制御の課題に取り組む。
• 正確な接触モデルや動的モデルを必要とする既存の最適化ベースのインピーダンス制御の限界を克服する。
• 冗長ロボットが未知の環境相互作用を補償しつつエンドエフェクタのタスク精度を維持できるように、パassingで階層的な制御を実現する。
• 逆運動学や行列の逆行列計算を回避し、オンライン最適化を伴わない、計算的に効率的で数値的に良好な条件の制御手法を開発する。
• パassing性による内在的安定性を実現し、急激な摂動や構成変化に対しても安全な相互作用を保証する。

提案手法

• エンドエフェクタや中間関節など、ロボットの異なる部分に作用する複数のパassingなタスク空間コントローラーを階層構造で重ね合わせる。
• 発散段階と収束段階の間で滑らかな遷移を実現する新規のフラクタルインピーダンスコントローラーを用い、連続的なエネルギーの流れを保証し、不連続性を回避する。
• 逆運動学や行列の逆行列計算を必要とせず、リャプノフ安定性を保証するための区分的滑らかなエネルギー多様体を用いたパassingモーションパラダイム（PMP）を活用する。
• 目的位置、力制限、剛性プロファイルに基づいてタスク空間コントローラーを定義し、二次的なコントローラーで冗長性を活用した関節配置をガイドする。
• スイッチング点（例：発散から収束への移行）でエネルギー保存則を適用し、リャプノフ関数の連続性と安定性を保証する。
• 発散段階中の最大変位に基づいて剛性プロファイルを適応的に変化させ、摂動下でも滑らかに性能が低下するように設計する。

Figure 1 : Stack of Passive Controllers executing a reference motion to follow a line trajectory while an unknown external disturbance is introduced to the elbow joint. The controller adapts safely and compliantly to the disturbance and degrades tracking performance gracefully.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パassingなタスク空間コントローラーの重ね合わせは、動的モデルの知識を必要とせず、冗長ロボットにおいて安定でコンプライアンス性のある制御を達成できるか？
• RQ2 パassingコントローラーをどのように組み合わせれば、未知の環境相互作用を補償しつつエンドエフェクタの追従精度を維持できるか？
• RQ3 滑らかで適応的な剛性プロファイルは、パassingコントローラーの制御段階遷移においてロバスト性を向上させられるか？
• RQ4 特異点や急激に変化する参照信号が存在する状況下でも、提案手法がどれほど安定しており、数値的に良好な条件を保っているか？
• RQ5 このフレームワークは、リアルタイム最適化や正確な接触センシングを必要とせず、冗長性の活用によるコンプライアンス性と安全性の向上を実現できるか？

主な発見

• 提案手法は、外部の未知の摂動が加わっても、急激に変化する参照信号を伴う動的タスクにおいて、1cm未塔の追従性能を達成した。
• パassing性に起因する内在的安定性のおかげで、慣性、摩擦、重力などのロボットの動的特性の知識が不要である。
• パassingなコントローラーの性質のおかげで、数値的特異点に対してもロバストであり、環境との安全な相互作用を維持できる。
• ロボットは未知の環境相互作用を補償しつつエンドエフェクタの追従精度を維持するための冗長性の活用に成功したが、これは現在のフレームワークでは実現されていない能力である。
• リャプノフ安定性の証明により、スイッチング点を越えて連続的なエネルギー多様体と有限のエネルギー流れを保証し、非滑らか領域でも安定性が確保された。
• 計算的に効率的であり、行列の逆行列計算やオンライン最適化を回避しており、複雑で動的な環境におけるリアルタイム実装に適している。

Figure 2 : Conceptual overview of the stack of passive task-space controllers framework: (a) The primary task is defined in terms of desired position, accuracy, and maximum exerted force produces a non-linear impedance profile to constrain the robot’s end-effector ( $3^{\text{rd}}$ -link). Impedance