Измерение крутящего момента для роботов: почему это важно и как его использовать
Вижн сообщает роботу, где что находится. Ощущение силы и крутящего момента сообщает ему, насколько сильно он толкает, тянет и сжимает. Для задач манипулирования, требующих большого количества контактов, распознавание F/T не является обязательным — именно оно отличает роботов, которые могут выполнять деликатную сборку, от роботов, которые ломают все, к чему прикасаются.
Что такое измерение силы и крутящего момента
Датчик силы-момента (F/T) измеряет шесть компонентов механической нагрузки в точке робота: три силы (Fx, Fy, Fz) вдоль каждой оси и три крутящих момента (Tx, Ty, Tz) вокруг каждой оси. Установленный на запястье робота — между последним звеном рычага и рабочим органом — датчик F/T обеспечивает полную картину механического взаимодействия между захватом и окружающей средой: какую силу прикладывает робот, в каком направлении и какой изгибающий момент создается.
Эта информация невидима для камер и не может быть достоверно получена только на основе токов моторики суставов (хотя некоторые современные манипуляторы, такие как Franka, обеспечивают оценку крутящего момента сустава на уровне запястья, что дает грубый сигнал типа F/T). Специальный датчик F/T на запястье предоставляет калиброванные данные о силе с высокой пропускной способностью, которые можно использовать для соответствующего управления, обнаружения контакта, мониторинга качества захвата, а также в качестве дополнительного канала наблюдения для изучения правил манипуляции.
Когда вам нужно измерение F/T
Датчик F/T наиболее ценен для задач манипулирования с большим количеством контактов: установка штифта в отверстие, сопряжение соединителей, открывающиеся банки, нарезка винтов, выдвижные ящики, полировка поверхностей и задачи сборки, где робот должен применять контролируемые силы, а не просто следовать траектории положения. В этих задачах небольшие ошибки позиционирования вызывают большие контактные силы, которые робот с позиционным управлением не может компенсировать без обратной связи по силе — робот либо полностью не попадает в цель, либо применяет чрезмерную силу и повреждает сборку.
Для простых задач по перестановке и перемещению с большими допусками специальные датчики F/T часто не нужны. Мониторинг крутящего момента сустава достаточен для базового обнаружения столкновений, а хорошо откалиброванный захват с соответствующей жесткостью захвата позволяет обрабатывать большинство объектов без явного контроля силы. Добавьте специальный датчик F/T, если ваша задача включает в себя точное введение, движения с поддержанием контакта или перемещение по поверхности с контролируемым усилием.
Варианты оборудования
ATI Mini45 и Mini85 являются золотым стандартом для исследовательских датчиков F/T: высокая точность, высокая полоса пропускания (7 кГц) и обширная документация. Они дорогие (3000–7000 долларов США в зависимости от диапазона измерения и разъема), но надежны и имеют хорошую поддержку. Robotiq FT 300-S — более доступный вариант (2000–3000 долларов США) с меньшей пропускной способностью, но более простой интеграцией через USB и Ethernet и прямой поддержкой ROS. Серия OnRobot Hex интегрирует датчики F/T непосредственно в интерфейс захват-рычаг, что упрощает проводку за счет уменьшения возможностей настройки.
Для исследований с ограниченным бюджетом новые недорогие датчики F/T от таких компаний, как Bota Systems и Wacoh Tech, значительно улучшились и теперь подходят для многих исследовательских приложений. При выборе датчика сопоставьте диапазон измерения с вашей задачей: слишком чувствительный датчик, используемый для захвата тяжелого груза, выйдет в режим насыщения; нечувствительный датчик, используемый для точной сборки, не обнаружит важные события контакта.
Интеграция с политиками манипулирования
Данные F/T могут быть интегрированы в политику изученного манипулирования двумя способами. Самый распространенный подход — включить показания F/T в качестве дополнительных каналов наблюдения наряду с изображениями и совместными состояниями — политика получает 6-мерный вектор F/T на каждом временном шаге и учится использовать его неявно. Это легко реализовать и хорошо работает, когда данные F/T дают полезный сигнал, который политика может научиться использовать.
Более структурированный подход использует данные F/T для параметризации классического совместимого уровня управления: изученная политика выводит желаемый параметр ключа или соответствия, а не положение сустава, а классический контроллер импеданса преобразует это в совместные команды, сохраняя при этом заданное соответствие. Эта гибридная архитектура отделяет планирование задач (обученное) от обработки динамики контактов (классическое), часто обеспечивая более надежное поведение при выполнении задач с большим количеством контактов, чем чистое сквозное обучение.
Задачи с большим количеством контактов и сенсорный стек SVRC
Компания SVRC развернула роботизированные станции, оснащенные F/T, для сбора данных при выполнении задач, связанных с контактными манипуляциями, включая вставку вилки, открытие ящика и задачи сборки, требующие контролируемого приложения силы. Наш стандартный набор датчиков включает в себя ATI Mini45 на запястье каждой руки робота, при этом данные F/T регистрируются синхронно с камерами и состояниями суставов с частотой 500 Гц. Такой скорости регистрации достаточно для регистрации контактных переходных процессов, и она включена в стандартный экспорт набора данных.
Для групп, проводящих исследования в области контактных манипуляций, станции SVRC в Пало-Альто, оснащенные F/T, доступны через нашу программа лизинга роботов. Мы также предоставляем консультации по выбору и интеграции датчиков F/T для индивидуальных конфигураций оборудования. Свяжитесь с Инженерная команда SVRC чтобы обсудить ваши конкретные требования к манипуляциям с большим количеством контактов, или просмотрите наш каталог оборудования доступные конфигурации датчиков.