Controlul interacțiunii forței variază de la explorarea tactilă cu forță redusă a spațiului de lucru până la interacțiunea rigidă cu o unealtă stabilizată în operațiunile de prelucrare (Natale et al. 2000).
Force interaction control ranges from low-force tactile exploration of work space to stiff interaction with a stabilized tool in machining operations (Natale et al. 2000).

Forțele de interacțiune cu un mediu rigid sau cu un obiect neprevăzut vor fi reduse dacă abordarea robotului se face cu impedanță mecanică mai mică. În timpul interacțiunii forțelor, proprietățile dinamice ale obiectelor de lucru și ale spațiului de lucru devin importante cu comportamentul limitator cauzat de instabilitățile de contact.
Interaction forces with a rigid environment or an unpredicted object will be reduced if the robot approach is made with lower mechanical impedance. During force interaction, the dynamic properties of the work objects and work space become important with limiting behavior caused by contact instabilities.

Controlul bazat pe articulații în cascadă

După cum se arată în Fig. 7, controlul cu feedback al motorului articulației se bazează pe viteza (detectată sau reconstruită) formând o buclă interioară și o buclă de control al poziției exterioare. Este necesară o acțiune integrativă pentru a rejecta perturbațiile de sarcină τd. Toate servo de robot au un cuplu maxim limitat (electric și mecanic). Un model al acestei limitări face parte din regulator pentru a evita lichidarea stării de integrator. Limitările referințelor pentru poziții și bucle de viteză sunt omise pentru claritate și sunt mai puțin cruciale, deoarece qr limitat corespunzător (și derivatele sale, din generarea traiectoriei) împiedică depășirea pozițiilor (fără depășire în bucla exterioară) și vitezelor permise.
As shown in Fig. 7, the joint motor feedback control is based on (sensed or reconstructed) velocity forming an inner loop and an outer position control loop. Integral action is needed to reject load disturbances τd. All robot servos have a limited maximum torque (electrically and mechanically). A model of that limitation is part of the regulator to avoid windup of the integrator state. Limitations of the references for the positions and velocity loops are omitted for clarity, and they are less crucial since properly limited qr (and its derivatives, from the trajectory generation) prevents exceeding the permitted positions (no overshoot in outer loop) and velocities.

Fig. 7 Structură în cascadă pentru controlul mișcării cu feedforward al referințelor de viteză și accelerație
Fig. 7 Cascaded structure for motion control with feedforward of velocity and acceleration references

Modelarea și detectarea forței de contact

Majoritatea senzorilor de forță/cuplu utilizați sunt senzori montați pe încheietura mâinii sau pe bază, bazați pe măsurători piezoelectrice, piezorezistive sau cu mărci tensometrice. Deoarece măsurarea forței rezultată nu este măsurată la contactul efectorului final cu mediul înconjurător, nu există o măsurare pură a forțelor de contact fără perturbări cauzate de forțele de frecare și inerție la distanță de senzorul de forță. Separarea forței de contact de forța măsurată necesită măsurarea suplimentară a accelerației sau estimarea bazată pe model a forțelor de inerție (Fig. 8).
Most force/torque sensors used are wrist-mounted or base-mounted sensors based on piezoelectric, piezoresistive, or strain-gauge measurements. As the resulting force measurement is not measured at the end effector contact with the environment, there is no pure measurement of contact forces without disturbances from friction and inertia forces distal of the force sensor. Separation of the contact force from the measured force requires additional measurement of acceleration or modelbased estimation of the inertia forces (Fig. 8).

Managementul redundanței în descompunerea sarcină-postură

În cazurile în care robotul are mai multe grade de libertate în spațiul articular decât grade de libertate în spațiul operațional, este posibil să se utilizeze grade redundante pentru proiecția sarcinilor operaționale în spațiul nul al constrângerii (Sentis și Khatib 2006), astfel adaptând constrângerile, sarcinile operaționale și posturile și prioritizarea acestora. Fie JC(q), JT(q) și JP(q) să desemneze jacobienii sarcinilor de manipulare a constrângerilor, sarcinilor operaționale și, respectiv, posturilor. Fie NC(q), NT(q) și NP(q) să desemneze spațiul nul al jacobienilor sarcinilor de gestionare a constrângerilor, sarcinilor operaționale și, respectiv, posturilor, satisfăcând
In cases where the robot has more degrees of freedom in joint space than the degrees of freedom in operational space, it is possible to use the redundant degrees for projection of the operational tasks into the constraint null-space (Sentis and Khatib 2006), thus accommodating constraints, operational tasks, and postures and their prioritization. Let JC (q), JT (q), and JP(q) denote the Jacobians of constraint-handling tasks, operational tasks, and postures, respectively. Let NC (q), NT (q), and NP (q) denote the null-space of the Jacobians of constraint-handling tasks, operational tasks, and postures, respectively, satisfying

O ierarhie de control care exploatează redundanța suplimentară poate fi propusă ca
A control hierarchy exploiting additional redundancy may be proposed as

unde FC, FT și FP sunt forțele din spațiul operațional utilizate pentru a menține poziția și forțele punctelor constrânse, mișcarea și forțele sarcinii și, respectiv, postura. Cuplurile corespunzătoare ale spațiului articular sunt
where FC, FT, and FP are the forces in operational space used to maintain position and forces of the constrained points, task motion and forces, and posture, respectively. The corresponding joint space torques are

Această abordare este utilă într-un scenariu de prelucrare robotică – de exemplu, găurire – cu compoziția forțelor dependente de sarcină, menținând în același timp postura și forțele de sprijin.
This approach is useful in a scenario of robotic machining – e.g., drilling – with composition of the task-dependent forces while maintaining posture and support forces.

Figura 9 prezintă un exemplu de structură de controller cu suprapunerea sarcinii specificate și mișcare în spațiu nul.
Figure 9 shows an example of a controller structure with superposition of task specified and null-space motion.

O operație de asamblare controlată prin forță cu un robot cu braț dublu de 14 DOF (Linderoth et al. 2013) este prezentată în Fig. 10 și 11. Mișcarea în spațiul nul a sarcinii de asamblare ar putea fi, de exemplu, optimizată pentru estimarea exactă a forței de contact și/sau păstrarea distanței de siguranță față de un operator uman care împarte spațiul de lucru cu robotul, așa cum este descris de Ceriani și colab. (2013).
A force-controlled assembly operation with a 14 DOF dual-arm robot (Linderoth et al. 2013) is shown in Figs. 10 and 11. The null-space motion of the assembly task could, for instance, be optimized for accurate contact force estimation and/or keeping safety distance to a human operator sharing work space with the robot as described by Ceriani et al. (2013).

Controlul forței fără senzori

Asamblarea robotică este o sarcină care necesită contact fizic între robot și mediul său. În mod tradițional, acest lucru a fost rezolvat folosind controlul poziției împreună cu dispozitivele de fixare pentru a obține acuratețea dorită. Când sarcina conține incertitudini, totuși, este necesară o detectare suplimentară pentru a realiza asamblarea. O modalitate de a încorpora senzori și de a specifica sarcini generale este utilizarea cadrului iTaSC (Instantaneous Task Specification using Constraints) (De Schutter et al. 2007). În Stolt și colab. (2012) a fost descris modul în care acest cadru a fost utilizat la asamblarea unui buton de oprire de urgență (Stolt et al. 2012).
Robotic assembly is a task that requires physical contact between the robot and its environment. Traditionally this has been solved using position control together with fixtures to achieve the desired accuracy. When the task contains uncertainties, however, additional sensing is needed to accomplish the assembly. One way to incorporate sensors and specify general tasks is to use the iTaSC framework (instantaneous Task Specification using Constraints) (De Schutter et al. 2007). In Stolt et al. (2012) it was described how this framework was used in assembly of an emergency stop button (Stolt et al. 2012).

Există câteva strategii diferite pentru realizarea asamblării robotice, în care sunt utilizate cantități diferite de informații de la senzori. O modalitate este de a utiliza controlul poziției pure a robotului. Pentru a putea face acest lucru, trebuie să se bazeze pe acuratețea robotului, a pieselor implicate și a celulei de lucru care este suficient de bună. De obicei, sunt necesare accesorii și unelte specifice sarcinii. În plus, este necesar să ne asigurăm că nu se va întâmpla nimic neașteptat în timpul operațiunii de asamblare, deoarece acest lucru este greu de descoperit fără un senzor de forță extern. O opțiune este de a gestiona un anumit grad de variație a pieselor folosind o sculă conformă. O a doua strategie este utilizarea informațiilor binare de la senzori. Aceasta înseamnă că asamblarea este împărțită în mai multe etape, în care informațiile de la senzori sunt folosite pentru a declanșa tranziții între etape. There exist a few different strategies for performing robotic assembly, where different amounts of sensor information are used. One way is to use pure position control of the robot. To be able to do this, one has to rely on the accuracy of the robot, of the involved parts, and of the work cell that is good enough. Usually taskspecific fixtures and toolings are needed. Further, it is necessary to ascertain that nothing unexpected will happen during the assembly operation, as this is hard to discover without an external force sensor. One option is to handle some degree of part variation by using a compliant tool. A second strategy is to use binary information from sensors. This means that the assembly is divided into several steps, in which the information from the sensors is used to trigger transitions between the steps. Această strategie poate fi utilizată atunci când există câteva incertitudini, de exemplu, unele variații ale pieselor. Un exemplu ar fi utilizarea unei secvențe de mișcări de căutare pentru a găsi o anumită caracteristică a unui obiect, iar odată ce această caracteristică este găsită, este posibil să se utilizeze controlul poziției pure pentru a finaliza operația de asamblare. O altă alternativă este utilizarea senzorilor pentru controlul continuu cu feedback. Această strategie permite să facă față unor mari incertitudini, dar este și strategia care este cel mai greu de programat pentru un operator de robot. Un exemplu al acestei strategii este asamblarea controlată de forță, unde detectarea forței poate fi utilizată pentru a identifica formațiunile de contact, păstra contacte și găsi contacte noi în timpul unei operațiuni de asamblare (Park și Khatib 2008). Dacă contactele sunt detectate numai în mod binar, așa cum este descris în paragraful anterior, există riscul pierderii contactului sau obținerii unor forțe de contact foarte mari în timpul mișcărilor de alunecare. Prin urmare, detectarea continuă poate face posibilă asamblarea atunci când sunt implicate mai multe incertitudini și, de asemenea, poate reduce riscul de deteriorare a echipamentului. This strategy can be used when there are a few uncertainties, e.g., some variations in the parts. One example would be to use a sequence of search motions in order to find a certain feature of an object, and once this feature is found, it is possible to use pure position control to finish the assembly operation. Yet another alternative is to use sensors for continuous feedback control. This strategy makes it possible to cope with large uncertainties, but it is also the strategy that is the most difficult to program for a robot operator. One example of this strategy is force-controlled assembly, where force sensing can be used to identify contact formations, keep contacts, and find new contacts during an assembly operation (Park and Khatib 2008). If contacts only are detected in a binary fashion, as described in the previous paragraph, there is a risk of losing contact or getting very large contact forces during sliding motions. Hence, continuous sensing can make assembly possible when more uncertainties are involved and also reduce the risk of damaging equipment. Strategiile descrise în paragrafele anterioare pot gestiona diferite cantități de incertitudini, iar tipul de efort necesar pentru executarea sarcinii este diferit. În cazul controlului poziției pure, trebuie să presupunem că acuratețea poziției este foarte bună și că totul va decurge conform planului. Aceste cerințe pot fi relaxate atunci când sunt utilizate informații binare ale senzorului, dar atunci trebuie să aveți grijă de semnalele senzorului într-un mod adecvat. Utilizarea detectării continue necesită și mai multe strategii de procesare și de control cu feedback a senzorilor, care pot fi greu de reglat. Ultimele două strategii necesită și un senzor, care poate fi scump. Însă, reutilizarea și robustețea crescută la incertitudini sunt incitații la utilizarea strategiei bazate pe detectarea continuă. În timp ce asamblarea fără senzor de forță a fost verificată experimental într-o sarcină de asamblare a pieselor mici din lumea reală folosind un manipulator robotic redundant prin estimarea forțelor din erorile de control al poziției articulației, estimările forței pot fi predispuse la erori din cauza perturbărilor de frecare. The strategies described in the previous paragraphs may handle different amounts of uncertainties, and the type of effort necessary for task execution is different. In the case of pure position control, one has to assume that the position accuracy is very good and that everything will go as planned. These requirements can be relaxed when binary sensor information is used, but then one has to take care of the sensor signals in an appropriate way instead. Using continuous sensing demands even more sensor processing and feedback control strategies, which may be hard to tune. The two last strategies also require a sensor, which may be expensive. The reusability and the increased robustness to uncertainties, however, are incitations to use the strategy based on continuous sensing. Whereas assembly without a force sensor was experimentally verified in a realworld small part assembly task using a redundant robotic manipulator by instead estimating the forces from the joint position control errors, the force estimates may be error prone for reasons of friction disturbances.

Chen et al. a prezentat un studiu de caz industrial pentru compararea unui robot făcut compatibil prin dereglarea controlului mișcării (servo soft) și a unui robot controlat cu forță într-o operație de inserție de supapă de înaltă precizie. (2009). Autorii au arătat că strategia soft servo dezvoltată poate îndeplini sarcini de asamblare cu erori mici de localizare a pieselor” unde locația relativă a piesei a fost mai mică de 1 mm, în timp ce pentru erorile de localizare a pieselor mai mari, era necesar controlul forței sau RRC (centrul de conformitate la distanță).
An industrial case study for comparing a robot made compliant by detuning the motion control (soft servo) and a force-controlled robot in a high-precision valve-insertion operation was presented in Chen et al. (2009). The authors showed that the soft servo strategy developed can perform assembly tasks with small part location errors” where the relative part location was within 1 mm, whereas for larger part location errors, force control or RRC (remote center of compliance) was needed.