[논문 리뷰] Series Elastic Force Control for Soft Robotic Fluid Actuators

Chunpeng Wang, John P. Whitney|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 02.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 내부 압력 피드백과 외란 관측기(DOB)를 사용하여 연질 로봇 유체 액추에이터를 위한 시리즈 스프링 힘 제어 프레임워크를 제안한다. 이는 높은 Z-폭 임피던스 제어를 달성하기 위해 설계되었으며, 외부 힘 센서 없이도 고강성 및 거의 영임피던스 작동이 가능하도록 한다. 외란 관측기 기반의 힘 피드백과 부드러운 히스테리시스 및 마찰을 보상하는 모델 기반 보정을 결합함으로써, 시스템은 3 rad/s까지 50 dB의 Z-폭을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유체 구동 시리즈 탄성 시스템을 사용하여 경량 연질 로봇 그립퍼에서 광범위한 종단점 임피던스 제어를 가능하게 하기 위해.
• 외부 힘 센서에 의존하지 않도록 내부 유체 압력을 힘 제어의 주요 피드백 신호로 사용하기 위해.
• 종단점 상태 또는 외부 힘 측정 없이도 부드러운 종단점 마찰과 히스테리시스를 보상하기 위해.
• 안전하고 유연한 상호작용을 가능하게 하기 위해 높은 Z-폭(임피던스 동적 범위)을 달성하기 위해.
• 내부 압력 피드백과 모델 기반 보정의 효과를 섬유-에라스토머 액추에이터를 갖춘 2-DOF 로봇 그립퍼에서 검증하기 위해.

제안 방법

• 외부 센서 없이도 힘 피드백을 가능하게 하기 위해, 내부 유체 압력을 관절 토크의 대체 신호로 사용한다.
• 내부 압력과 모터 상태 피드백을 사용하여 외란을 추정하고 제거하기 위해 외란 관측기(DOB)를 적용한다.
• 시스템 식별 데이터에서 유도된 모델 기반 피드포워드 항목을 통해 종단점의 부드러운 히스테리시스와 점성 마찰을 보상한다.
• 직접 구동식 브러시리스 모터를 복합성 있는 유체/软호스 유연성과 함께 사용하여 롤링 디아프램 선형 액추에이터와 결합함으로써 시리즈 탄성 구조를 형성한다.
• 외부 힘과 종단점 임피던스를 실시간으로 추정하기 위해 DOB를 유체 구동 시스템에 적응시켰다.
• 액추에이터 동역학, 비선형 마찰 및 히스테리시스를 정확하게 모델링하기 위해 시스템 식별을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 유체 압력만으로도 연질 로봇 액추에이터에서 고성능 임피던스 제어를 위한 충분한 힘 피드백을 제공할 수 있는가?
• RQ2 외부 힘 또는 위치 센서 없이도 부드러운 종단점 마찰과 히스테리시스를 어느 정도 보상할 수 있는가?
• RQ3 내부 압력 피드백과 DOB 기반 제어를 사용할 경우 종단점 임피던스의 가시적 Z-폭은 얼마인가?
• RQ4 시리즈 탄성과 모델 기반 보정의 조합이 고강성과 거의 영임피던스 작동을 동시에 가능하게 하는 방식은 무엇인가?
• RQ5 내부 압력 피드백만으로도 이상적인 영임피던스 시스템과 유사한 백드라이브 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 3 rad/s까지 약 50 dB의 Z-폭을 달성하여 종단점 임피던스 제어의 넓은 동적 범위를 입증한다.
• 고정된 호스 케이스에서는 DC에서 최대 약 70 dB까지 Z-폭이 제한되지만, 볼륨 유연성 덕분에 유연한 호스 시스템은 50 dB의 Z-폭을 달성한다.
• 모터를 끈 상태에서 수동적 백드라이브 성능을 보이며, 거의 영강성(즉, 거의 영임피던스) 수준의 임피던스를 유지한다(그림 7-C의 노란색 곡선 참조).
• 힘 피드백을 통해 능동적 영임피던스 작동이 가능해져, 10 cm 범위 내에서 종단점 힘을 ±5g 이내로 제어할 수 있다.
• 최대 PD 이득에서 알루미늄 음료 can을 압착하는 데 성공하여 고강성 능력을 입증한다(그림 7-C의 빨간색 곡선 참조).
• 종단점 센서 없이도 내부 압력과 모터 피드백에 기반하여 정확한 종단점 상태 추정과 힘 제어를 수행할 수 있다.