A Unified Approach for Motion and Force Control of Robot Manipulators the Operational Space Formula
Robot force control
Transcript of Robot force control
Robot Force Control
VII Scuola Nazionale di Dottorato CIRA Bertinoro (FC)Controllo di Sistemi Robotici per la Manipolazione e la Cooperazione 14–16 Luglio 2003
IntroductionLorenzo SciaviccoMotion control
Bruno SicilianoIndirect force control
Luigi VillaniDirect force control
Stefano ChiaveriniExperimentsBruno Siciliano
Hybrid force control and contact estimationin the task frame formalism
Herman Bruyninckx
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Research @ PRISMA Lab
Dual-robot system Redundancy resolution Singularity robustness Cooperative tasks Fault tolerance Model identification Inverse dynamics
control Force control Visual tracking
Interaction control
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Robot Force Control
IntroductionLorenzo SCIAVICCO
Dipartimento di Informatica e Automazione
Università degli Studi di Roma [email protected]
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Outline
Force control Motion control vs. interaction control Indirect vs. direct force control
Modelling Kinematics Dynamics
Control Strategy Joint space control vs. task space control
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Force control
Motion control vs. interaction control Object manipulation or surface operation requires control of
interaction between robot manipulator and environment Use of purely motion control strategy is candidate to fail
(task planning accuracy) Control of contact force (compliant behaviour) Use of force/torque sensor (interfaced with robot control
unit) Indirect vs. direct force control
Indirect force control: force control via motion control (w/out explicit closure of force feedback loop)
Direct force control: force controlled to desired value (w/ closure of force feedback loop)
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Modelling
Kinematics Kinematic model
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Modelling (cont’d)
Differential kinematics
task variables
: kinematic redundancy
: matrix geometric Jacobian
kinematic singularities (!)
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Modelling (cont’d)
Dynamics Lagrange formulation
Dynamic model
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Modelling (cont’d)
Skew-symmetry of
Hamilton principle
Linearity in the dynamic parameters
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Control strategy
Joint space control Task references transformed into joint references Redundancy resolution at kinematic level
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Control strategy (cont’d)
Task space control Control directly in task (operational) space Redundancy resolution at dynamic level
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Motion controlBruno SICILIANO
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazionee Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di [email protected]
Robot Force Control
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Outline
Tracking control Dynamic model-based compensation Euler angles error Angle/axis error Quaternion error Computational issues Redundancy resolution
Regulation Static model-based compensation Orientation errors
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Tracking Control
Dynamic model-based compensation
Position control
Orientation controlEuler anglesAngle/axisQuaternion
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Tracking Control (cont’d)
Euler angles error: Resolved angular acceleration
Error dynamics
representation singularities (!)
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Tracking Control (cont’d)
Alternative Euler angles error: Resolved angular acceleration
Error dynamics
choose so that is nonsingular (!)
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Tracking Control (cont’d)
Angle/axis error:
Representation
Classical angle/axisQuaternionRodrigues parametersSimple rotation
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Tracking Control (cont’d)
Angle/axis error: Resolved angular acceleration
Error dynamics
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Tracking Control (cont’d)
Simpler choice:
Error dynamics
… stability via Lyapunov argument ( )
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Tracking Control (cont’d)
Quaternion error: Resolved angular acceleration
Error dynamics
… stability via Lyapunov argument
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Tracking Control (cont’d)
Computational issues
Resolved acceleration
Trajectory generation
Orientation error Flops Funcs Flops FuncsClassical Euler angles
68 8 52 8
Alternative Euler angles
136 8 0 0
Angle/axis 55 0 0 0Quaternion 60 1 21 1
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Tracking Control (cont’d)
Comparison
Orientation error Pros ConsClassical Euler angles
Similar to position Computational loadRepres. singularities
Alternative Euler angles
Repres. singularities
Computational loadLarge errors
Angle/axis Computational load
Sing.-free trajectory
Quaternion Large errors Nonlinear error dyn.
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Tracking Control (cont’d)
Redundancy resolution
dynamically consistentpseudo-inverse
… stability via Lyapunov argument
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Tracking Control (cont’d)
Inverse dynamics control with redundancy resolution
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Regulation
Static model-based compensation
Position control
Orientation control
Euler
anglesAngle/axisQuaternion
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Regulation (cont’d)
Orientation errors Euler angles
Alternative Euler angles
Angle/axis
Quaternion
for all… stability via Lyapunov argument
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A.D. MCCXXIV
Indirect force controlLuigi VILLANI
Dipartimento di Informatica e Sistemistica
Università degli Studi di Napoli Federico II
Robot Force Control
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Outline
Compliance control Active compliance
Impedance control Active impedance Inner motion control Three-DOF impedance control Six-DOF impedance control
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Compliance control
Active compliance
… at steady state (position/force)
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Impedance control
Active impedance force/torque sensor
A.D. MCCXXIV
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Impedance control (cont’d)
Impedance control (w/ force/torque measurements)
A.D. MCCXXIV
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Impedance control (cont’d)
Inner motion control Enhanced disturbance rejection
compliant frame
A.D. MCCXXIV
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Impedance control (cont’d)
Three-DOF impedance control Translational impedance
Linear acceleration (inner motion loop)
A.D. MCCXXIV
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Impedance control (cont’d)
Six-DOF impedance control Rotational impedance (Euler angles)
Infinitesimal orientation displacement
Angular acceleration (inner motion loop)
task geometric inconsistency
A.D. MCCXXIV
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Impedance control (cont’d)
Rotational impedance (alternative Euler angles)
Infinitesimal orientation displacement
Angular acceleration (inner motion loop)task geometric consistency
(XYZ Euler angles + diagonal stiffness)
A.D. MCCXXIV
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Impedance control (cont’d)
Rotational impedance (angle/axis)
Infinitesimal orientation displacement
Angular acceleration (inner motion loop)
task geometric consistency
A.D. MCCXXIV
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Impedance control (cont’d)
Rotational impedance (quaternion)
Infinitesimal orientation displacement
Angular acceleration (inner motion loop)
task geometric consistency
A.D. MCCXXIV
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Direct force controlStefano CHIAVERINI
Dipartimento di Automazione, Elettromagnetismo,Ingegneria dell’Informazione e Matematica Industriale
Università degli Studi di [email protected]
Robot Force Control
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Outline
Force regulation Static model-based compensation Dynamic model-based compensation
Force/motion control Force and position regulation Force and position control Moment and orientation control Force tracking
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Force regulation
Static model-based compensation
PI control
… at steady state
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Force regulation (cont’d)
Dynamic model-based compensation
Force and moment control with inner motion control loop
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Force/motion control
Force and motion control Regulation of force but loss of motion control Recover motion control along unconstrained directions while
ensuring force control along constrained directions
parallel control strategy
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Force/motion control (cont’d)
Force and position regulation
At steady state
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Force/motion control (cont’d)
Force and position control
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Force/motion control (cont’d)
Force and position control with full parallel composition
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Force/motion control (cont’d)
Moment and orientation control
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Force/motion control (cont’d)
Force tracking Full parallel composition
Time-varying force
tracking if exactly known
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Force/motion control (cont’d)
Contact stiffness adaptation ( )
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Experiments
Set-up COMAU Smart 3-S
robot Open control
architecture ATI force/torque sensor
Force-motion control Compliance control Impedance control Force control Parallel control Hybrid control
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Experiments (cont’d)
Impedance control Contact with
unknown surface Accommodation of
both force and moment
Geometric consistency
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Experiments (cont’d)
Extension to dual-robot system
typical peg-in-hole assembly task
robot holding the hole controlled as 6-DOF impedance
robot holding the peg programmed in PDL-2
accommodation of misalignment and overshoot
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Further experiments
Set-up @ ARTS Lab, SSSA Pisa
DEXTER cable-actuated robot arm
Compliance control tasks of assisting disabled
people
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Further experiments (cont’d)
Set-up @ DLR, Germany
KUKA robot with force sensor and camera embedded in the gripper
Integration of vision and force
visual feedback in gross motion
force feedback in fine motion
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References F. Caccavale, C. Natale, B. Siciliano, L. Villani, "Resolved-
acceleration control of robot manipulators: A critical review with experiments", Robotica, 16, 565–573, 1998
F. Caccavale, C. Natale, B. Siciliano, L. Villani, "Six-DOF impedance control based on angle/axis representations", IEEE Transactions on Robotics and Automation, 15, 289–300, 1999
F. Caccavale, C. Natale, B. Siciliano, L. Villani, "Achieving a cooperative behaviour in a dual-arm robot system via a modular control structure", Journal of Robotic Systems, 18, 691–700, 2001
F. Caccavale, B. Siciliano, L. Villani, "Robot impedance control with nondiagonal stiffness", IEEE Transactions on Automatic Control, 44, 1943–1946, 1999
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References (cont’d) S. Chiaverini, L. Sciavicco, "The parallel approach to
force/position control of robotic manipulators", IEEE Transactions on Robotics and Automation, 9, 361–373, 1993
S. Chiaverini, B. Siciliano, L. Villani, "Force/position regulation of compliant robot manipulators", IEEE Transactions on Automatic Control, 39, 647–652, 1994
S. Chiaverini, B. Siciliano, L. Villani, "A survey of robot interaction control schemes with experimental comparison", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 4, 273–285, 1999
C. Natale, Interaction Control of Robot Manipulators: Six-degrees-of-freedom Tasks, Springer, Heidelberg, Germany, 2003
B. Siciliano, L. Villani, Robot Force Control, Kluwer, Boston, MA, 1999