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

Carlo Tiseo, Wolfgang Merkt외 3명|Edinburgh Research Explorer (University of Edinburgh)|2020. 02. 27.

Piezoelectric Actuators and Control인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 동적 모델 지식이 필요 없이 유연성과 안전성을 보장하는, 재건된 로봇을 위한 새로운 안정적 제어 프레임워크를 제안한다. 다양한 수준의 피동적 작업공간 제어기를 중첩하여 적용함으로써, 빠른 동적 작업 중에도 서브센티미터 수준의 정확도를 달성하면서도 특이점이나 알려지지 않은 환경 상호작용에 대해 강건성을 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 로봇의 역학적 특성이 불확실하고 특이점이 발생할 수 있는 동적이고 예측 불가능한 환경에서 안전하고 유연한 제어의 과제를 해결한다.
• 정확한 접촉 또는 역학 모델이 필요한 최적화 기반의 임피던스 제어의 한계를 극복하여 강건성을 확보한다.
• 재건된 로봇이 피동적이고 계층적인 제어를 통해 알려지지 않은 환경 상호작용을 보완하면서도 종단기구의 작업 정확도를 유지할 수 있도록 한다.
• 역행렬 역산이나 온라인 최적화를 피하는 계산 효율적이고 수치적으로 잘 조절된 제어 방법을 개발한다.
• 피동성에 기반한 내재적 안정성을 확보하여 갑작스러운 교란이나 구조적 변화 상황에서도 안전한 상호작용을 보장한다.

제안 방법

• 다양한 부분(예: 종단기구 및 중간 관절)에 작용하는 여러 피동적 작업공간 제어기를 계층적 구조로 중첩 적용한다.
• 분산 단계와 수렴 단계 간의 부드러운 전환을 보장하는 새로운 프랙탈 임피던스 제어기를 사용하여 지속적인 에너지 흐름을 확보하고 불연속성을 방지한다.
• 역행렬 또는 행렬 역산이 필요 없이 리아푸노프 안정성을 보장하는 피동 운동 원리(PMP)와 조각별로 부드러운 에너지 다각형을 활용한다.
• 목표 위치, 힘 한계, 스프링 강성 프로파일을 기반으로 작업공간 제어기를 정의하고, 보조 제어기를 통해 재건성의 특성을 활용하여 관절 구성을 유도한다.
• 전환 지점(예: 분산에서 수렴으로의 전환)에서 에너지 보존 원리를 적용하여 리아푸노프 함수의 연속성과 안정성을 확보한다.
• 분산 단계 동안의 최대 변위에 기반해 적응형 강성 프로파일을 적용하여 외부 교란 상황에서도 부드러운 성능 저하를 가능하게 한다.

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.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피동적 작업공간 제어기의 중첩이 동적 모델 지식 없이도 재건된 로봇에서 안정적이고 유연한 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 피동적 제어기를 어떻게 조합하여 종단기구의 정확도를 유지하면서도 알려지지 않은 환경 상호작용을 보완할 수 있는가?
• RQ3 부드럽고 적응형 강성 프로파일이 피동 제어기의 제어 단계 전환 시 강건성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 특이점이나 급격히 변화하는 참조 입력이 존재하는 상황에서 제안된 방법이 얼마나 안정적이고 수치적으로 잘 조절된 상태를 유지하는가?
• RQ5 이 프레임워크는 실시간 최적화나 정확한 접촉 감지 없이도 재건성의 특성을 활용하여 유연성과 안전성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 빠르게 변화하는 참조 입력 상황에서도 외부 불확실한 교란이 존재하는 동적 작업 중에 서브센티미터 수준의 정확도를 달성한다.
• 피동성에 기반한 내재적 안정성 덕분에 관성, 마찰, 중력 등의 로봇 역학적 특성 지식 없이도 제어가 가능하다.
• 피동적 제어기의 특성 덕분에 수치적 특이점에 강건하며, 환경과의 안전한 상호작용을 유지한다.
• 로봇은 알려지지 않은 환경 상호작용을 보완하면서도 종단기구의 정확도를 유지하기 위해 재건성을 성공적으로 활용한다. 이는 현재의 프레임워크에서는 지원되지 않는 능력이다.
• 리아푸노프 안정성 증명을 통해 제어기가 전환 지점에서 유한한 에너지 흐름과 연속적인 에너지 다각형을 유지함을 확인하였으며, 이는 비연속 영역에서도 안정성을 보장한다.
• 계산 효율적이며 행렬 역산과 온라인 최적화를 피하므로, 복잡하고 동적인 환경에서 실시간 구현에 적합하다.

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