[논문 리뷰] Safe and Compliant Control of Redundant Robots Using a Stack of Passive Task-Space Controllers

Carlo Tiseo, Wolfgang Merkt외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 27.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 동역학 모델이나 온라인 최적화를 요구하지 않으며, 재활용 가능한 로봇의 안전하고 유연한 제어를 위한 수동 작업공간 제어기의 스택을 제안한다. 이 방법은 새로운 매끄러운 스프링 강성 프로파일을 사용하여 고속의 동적 작업 중에도 내재된 안정성, 수치적 강건성, 그리고 센티미터 이내의 추적 성능을 보장함으로써, 영역의 효율적 활용과 특이점 및 외부 교란에 대한 강건성을 가능하게 한다.

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 stack of multiple passive task-space controllers. 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 in a stack. Our experimental results demonstrate that the proposed method achieves sub-centimeter tracking performance during dynamic demanding tasks with fast-changing references, while remaining safe to interact with and robust to singularities. The proposed framework achieves this without knowledge of the robot dynamics and thanks to its passivity is intrinsically stable. The data further shows that the robot can fully take advantage of the null-space to maintain the primary task accuracy while compensating for external perturbations.

연구 동기 및 목표

• 로봇의 동역학 모델링 오류와 특이점으로 인해 성능이 저하되는 불확실한 환경에서 안전하고 민감한 제어의 과제를 해결하기 위해.
• 온라인 임피던스 최적화의 한계를 극복하기 위해 실세계 적용에 필요한 충분한 강건성이 부족하기 때문이다.
• 행렬 역행렬 또는 계산 오버헤드 없이도 내재된 안정성과 수치적 조건화를 보장하는 제어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 외부 힘에 의해 영향을 받는 상황에서도 주요 작업 정확도를 유지하기 위해 영역을 효과적으로 활용하기 위해.
• 수동 제어기의 수렴 단계와 발산 단계 간의 원활한 전환을 가능하게 하는 매끄러운 스프링 강성 프로파일을 설계하기 위해.

제안 방법

• 프레임워크는 각각 수동성 이론에 의해 내재적으로 안정화된 다수의 수동 작업공간 제어기를 스택으로 구성한다.
• 수동 제어기의 발산 단계와 수렴 단계 간의 매끄러운 전환을 보장하는 새로운 스프링 강성 프로파일이 도입되어 스택 구조에서의 성능을 향상시킨다.
• 이 방법은 행렬 역행렬과 온라인 최적화를 피하고, 계산적으로 효율적이며 수치적으로 잘 조절된 수동성 기반 제어 법칙에 의존한다.
• 제어기는 로봇의 영역이 외부 힘을 보상하면서도 작업 정확도를 유지할 수 있도록 조율된다.
• 수동성과 역동적 모델 의존성의 부재로 인해, 이론적으로 수치적 특이점과 동역학 모델 불일치에 강건한 제어 아키텍처가 설계되었다.
• 스택 구조는 고차원 작업 우선순위를 가능하게 하며, 높은 우선순위 작업은 수동 유연성에 의해 유지된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 작업공간 제어기의 스택이 로봇의 동역학 지식 없이도 고속의 동적 작업 중에 센티미터 이내의 추적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제안된 매끄러운 스프링 강성 프로파일은 기존 프로파일에 비해 스택된 수동 제어기의 성능과 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 수동 제어 프레임워크에서 외부 교란을 보상하면서도 주요 작업 정확도를 유지하기 위해 영역을 얼마나 효과적으로 활용할 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 수동성과 최적화 없이도 수치적 특이점과 동역학 모델 불일치에 강건한가?
• RQ5 이 프레임워크는 온라인 최적화나 행렬 역행렬에 의존하지 않고도 내재된 안정성과 안전성을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 빠르게 변화하는 참조 작업 중에 센티미터 이내의 추적 성능을 달성하여, 도전적인 조건에서도 높은 정확도를 보여준다.
• 수동성 덕분에 제어 프레임워크는 내재된 안정성을 보이며, 추가적인 안전 레이어 없이도 환경과의 안전한 상호작용을 보장한다.
• 이 방법은 행렬 역행렬과 최적화를 피하기 때문에 수치적 특이점과 동역학 모델 불일치에 강건하다.
• 로봇은 외부 교란을 보상하면서도 주요 작업 정확도를 유지하기 위해 영역을 효과적으로 활용한다.
• 새로운 스프링 강성 프로파일은 제어기 단계 간의 원활한 전환을 가능하게 하여, 다수의 수동 제어기를 스택할 때 성능을 향상시킨다.
• 이 프레임워크는 온라인 최적화나 복잡한 수치적 역행렬이 필요 없어 계산적으로 효율적이며, 실시간 구현에 적합하다.