[論文レビュー] Series Elastic Force Control for Soft Robotic Fluid Actuators

Chunpeng Wang, John P. Whitney|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2020

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、内部圧力フィードバックと撫でしの観測器（DOB）を用いた、ソフトロボット用流体アクチュエータのためのシリアルスプリング力制御フレームワークを提示する。DO-Bベースの力フィードバックと滑らかなヒステリシスおよび摩擦のためのモデルベース補償を組み合わせることで、3 rad/sまで50 dBのZ幅を達成し、外部力センサを用いずに高剛性およびほぼゼロインピーダンス動作を実現する。

ABSTRACT

Fluid-based soft actuators are an attractive option for lightweight and human-safe robots. These actuators, combined with fluid pressure force feedback, are in principle a form of series-elastic actuation (SEA), in which nearly all driving-point (e.g. motor/gearbox) friction can be eliminated. Fiber-elastomer soft actuators offer unique low-friction and low-hysteresis mechanical properties which are particularly suited to force-control based on internal pressure force feedback, rather than traditional external force feedback using force/tactile sensing, since discontinuous (Coulomb) endpoint friction is unobservable to internal fluid pressure. However, compensation of endpoint smooth hysteresis through a model-based feedforward term is possible. We report on internal-pressure force feedback through a disturbance observer (DOB) and model-based feedforward compensation of endpoint friction and nonlinear hysteresis for a 2-DOF lightweight robotic gripper driven by rolling-diaphragm linear actuators coupled to direct-drive brushless motors, achieving an active low-frequency endpoint impedance range ("Z-width") of 50dB.

研究の動機と目的

• 流体駆動のシリアルスプリング系を用いて、軽量なソフトロボットグリッパーにおける広範囲のエンドポイントインピーダンス制御を可能にすること。
• 外部力センサに依存しないように、力制御の主なフィードバック信号として内部流体圧力を用いること。
• エンドポイント状態や外部力センサなしで、滑らかなエンドポイント摩擦およびヒステリシスを補償すること。
• 安全で柔軟な、繊細な環境との相互作用を可能にするために、高いZ幅（インピーダンス動的範囲）を達成すること。
• 内部圧力フィードバックとモデルベース補償の有効性を、繊維エラストマー駆動を備えた2-DOFロボットグリッパーで検証すること。

提案手法

• 外部センサを用いずに力フィードバックを可能にするために、内部流体圧力をジョイントトルクの代理として用いる。
• 撫でしの観測器（DOB）を適用し、内部圧力とモータ状態のフィードバックを用いて外部の不確実要因を推定・抑制する。
• システム同定データから得られるモデルベースのフィードフォワード項により、エンドポイントにおける滑らかなヒステリシスおよび粘性摩擦を補償する。
• 直接駆動式のブラシレスモータを、意図的な流体/ホースのばね性を有するローリングディアフレム型直線アクチュエータに接続し、シリアルスプリング性を実現する。
• 流体駆動系に適応したDOBを用いて、リアルタイムで外部力およびエンドポイントインピーダンスを推定する。
• アクチュエータのダイナミクス（非線形摩擦およびヒステリシスを含む）を正確にモデル化するため、システム同定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部流体圧力のみで、ソフトロボットアクチュエータにおける高性能インピーダンス制御のための十分な力フィードバックを提供できるか？
• RQ2 外部力センサや位置センサなしで、滑らかなエンドポイント摩擦およびヒステリシスをどの程度補償できるか？
• RQ3 内部圧力フィードバックとDOBベースの制御を用いた場合、エンドポイントインピーダンスの実現可能なZ幅はどの程度か？
• RQ4 シリアルスプリングとモデルベース補償の組み合わせが、高剛性およびほぼゼロインピーダンス動作を両立させる仕組みは何か？
• RQ5 内部圧力フィードバックのみを用いても、理想のゼロインピーダンス系と同等のバックドライブ性を達成できるか？

主な発見

• システムは3 rad/sまで約50 dBのZ幅を達成し、エンドポイントインピーダンス制御の広い動的範囲を示した。
• 剛性ホースの場合、DCで最大Z幅は約70 dBに制限されるが、コンプライアンスホース系では体積的ばね性により50 dBを達成した。
• モータを停止させた状態で、被動的バックドライブ性を示し、ほぼゼロ剛性（図7-Cの黄色線）と整合するインピーダンスレベルを達成した。
• 力フィードバックにより、アクティブなゼロインピーダンス動作を実現し、10 cmの範囲でフィンガータイプの力が±5グラムの範囲内に保たれた。
• 最大PDゲインでアルミ飲料缶を破砕する実験により、高剛性性能を成功裏に示した（図7-Cの赤線）。
• エンドポイントのセンシングを明示的に行わずとも、内部圧力とモータフィードバックに依存して、正確なエンドポイント状態推定と力制御が可能となった。