[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于内部压力反馈与扰动观测器（DOB）的软体机器人流体驱动执行器的串联弹性力控制框架，实现了高Z宽度阻抗控制。通过结合基于DOB的力反馈与针对平滑迟滞和摩擦的模型补偿，系统在3 rad/s以内实现了50 dB的Z宽度，实现了高刚度与近零阻抗运行，且无需外部力传感器。

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.

研究动机与目标

• 通过流体驱动的串联弹性系统，在轻量化软体机器人夹爪中实现宽范围的末端阻抗控制。
• 通过将内部流体压力作为主要反馈信号，消除对外部力传感器的依赖，实现力控制。
• 在不依赖末端状态或外部力传感的情况下，补偿平滑的末端摩擦与迟滞。
• 实现高Z宽度（阻抗动态范围），以实现与脆弱环境的安全、顺应性交互。
• 在采用纤维-橡胶执行器的2-DOF机器人夹爪中，验证内部压力反馈与基于模型的补偿的有效性。

提出的方法

• 将内部流体压力用作关节转矩的代理，实现无需外部传感器的力反馈。
• 应用扰动观测器（DOB）以估计并抑制干扰，利用内部压力与电机状态反馈。
• 基于系统辨识数据，引入基于模型的前馈项，以补偿末端的平滑迟滞与粘性摩擦。
• 系统采用直接驱动的无刷电机，与具有刻意流体/软管柔性的滚膜直线执行器耦合，形成串联弹性结构。
• 将DOB适配于流体驱动系统，实现实时估计外部作用力与末端阻抗。
• 进行系统辨识，以建模执行器动力学，包括非线性摩擦与迟滞，从而实现精确的前馈补偿。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依靠内部流体压力是否足以提供高性能阻抗控制所需的足够力反馈？
• RQ2 在不使用外部力传感器或位置传感器的情况下，对平滑末端摩擦与迟滞的补偿程度如何？
• RQ3 使用内部压力反馈与基于DOB的控制，末端阻抗的可实现Z宽度是多少？
• RQ4 串联弹性结构与基于模型的补偿相结合，如何实现高刚度与近零阻抗的协同运行？
• RQ5 仅依靠内部压力反馈，系统能否实现与理想零阻抗系统相当的可逆驱动性能？

主要发现

• 系统在3 rad/s以内实现了约50 dB的Z宽度，表明末端阻抗控制具有宽动态范围。
• 在刚性软管情况下，最大Z宽度在直流下受限于约70 dB，而柔性软管系统由于体积弹性，实现了50 dB。
• 当电机断电时，夹爪表现出被动可逆驱动特性，其阻抗水平与近零刚度一致（见图7-C中黄色曲线）。
• 通过力反馈实现了主动零阻抗运行，可在10 cm范围内实现指尖力在±5克以内的背驱控制。
• 系统在最大PD增益下成功压碎铝制饮料罐，证明了其高刚度能力（见图7-C中红色曲线）。
• 该方法即使在无显式末端传感的情况下，也能实现精确的末端状态估计与力控制，依赖于内部压力与电机反馈。