Hvorfor er det svært for en robot at vide, hvor hårdt den klemmer

En robot kan være ekstremt præcis i sine bevægelser og stadig have svært ved at mærke, hvad den rører ved.

Bed den om at gribe et jordbær, holde fast i en tynd plastdel eller håndtere noget, der giver efter, og opgaven bliver straks sværere.

For hvor hårdt skal robotten egentlig klemme?

For lidt kraft, og emnet glider ud af griberen. For meget, og robotten risikerer at deformere eller ødelægge det. Og selv hvis robotten ved præcis, hvor griberen befinder sig, ved den ikke nødvendigvis, hvor stor kraft den påvirker emnet med.

Derfor skal robotten kunne mere end bare at styre sin bevægelse. Den skal også kunne registrere kontakten og reagere på den.

Det er én ting at vide, hvor griberen er

Mange robotopgaver programmeres som positioner og baner. Robotten får besked på, hvor dens led eller værktøj skal bevæge sig hen, og styringen sørger for at følge bevægelsen så præcist som muligt.

Det fungerer godt, så længe omgivelserne er kendte, stive og forudsigelige.

Udfordringen opstår, når robotten kommer i fysisk kontakt med noget.

En robot kan for eksempel vide nøjagtigt, at griberen har bevæget sig to millimeter. Men de to millimeter kan betyde næsten ingenting i en blød skumklods og være nok til at beskadige et sprødt emne.

Den samme lukkebevægelse kan derfor give meget forskellige kontaktkræfter afhængigt af emnets form og stivhed. Geometrien alene fortæller ikke, hvad der sker i kontakten.

I mange kontaktopgaver er positionsstyring derfor ikke nok. Robotten skal også kunne forholde sig til den kraft, den faktisk påvirker omgivelserne med.

Robotten skal kunne mærke, hvad den rører ved

En måde at gøre det på er at bruge en kraft-/momentsensor, ofte placeret mellem robotarmens håndled og griberen.

En seksakset force/torque-sensor måler tre kraftkomponenter og tre momentkomponenter og giver dermed et samlet billede af belastningen på værktøjet.

Men den fortæller ikke nødvendigvis præcist, hvor på emnet kontakten sker, eller hvordan trykket fordeler sig over griberens fingre.

Derfor kan man supplere med taktile sensorer i selve griberen eller med kameraer og andre sensorer.

Det minder lidt om at løfte en papkop med hånden. Du ved, hvor hånden befinder sig, men du mærker også trykket mod fingrene og justerer grebet undervejs.

Det er den slags feedback, robotten skal genskabe teknisk.

Det er ikke nok bare at måle kraften

Selv en god sensor løser ikke opgaven alene. Styringen skal også reagere på det, sensoren måler.

Hvis kraften bliver for høj, skal styringen kunne reagere. Det kan være ved at stoppe bevægelsen, ændre positionen eller gøre systemet mere eftergiveligt. Hvis kontaktkraften er for lav til at holde emnet sikkert, kan griberen justeres.

Mange opgaver kræver, at robotten styrer position og kraft på samme tid.

Forestil dig en robot, der skal føre en komponent ned i en holder. Den skal ramme korrekt i siden, men samtidig undgå at presse for hårdt i den retning, hvor delene mødes.

Her bruger man blandt andet impedansstyring. Her regulerer man forholdet mellem bevægelse og kraft, så robotten kan give kontrolleret efter, når den møder modstand. 

En beslægtet metode er admittansstyring, hvor den målte kraft bruges til at bestemme, hvordan robotten skal bevæge sig.

Begge metoder bruges til at gøre robotten mere eftergivelig og tilpasse dens bevægelse til kontakten med omgivelserne.

Forestil dig et jordbær

Forestil dig en robot, der skal sortere jordbær. Den skal holde godt nok fast til, at bærrene ikke falder ud af griberen. Men den må heller ikke klemme så hårdt, at de får mærker eller bliver mast.

Jordbær er samtidig ikke ens. De varierer i størrelse, form, modenhed og fasthed. Den samme bevægelse i griberen kan derfor give forskellige kræfter fra bær til bær.

Det er ikke nok bare at fortælle robotten, hvor langt griberen skal lukke.

Den skal kunne registrere kontakten og justere undervejs. Det kan den blandt andet gøre med kraftsensorer eller taktile sensorer. I mere avancerede systemer kan robotten kombinere kraftdata, berøring og kamera, så den både kan se, hvad den holder, og reagere på, hvordan emnet giver efter.

Det er netop den variation, der gør skrøbelige og eftergivelige emner vanskelige at håndtere.

Kan robotten mærke uden en kraftsensor?

Ja, i nogle systemer.

Kontaktkræfter kan også estimeres indirekte ud fra for eksempel motorstrømme, ledmomenter eller en dynamisk model af robotten.

Hvis styresystemet ved, hvordan robotten burde opføre sig uden ekstern påvirkning, kan afvigelser bruges til at estimere en kontaktkraft.

Fordelen er, at man kan klare sig med mindre ekstra hardware. Ulempen er, at estimatet blandt andet afhænger af robotmodellen, friktion og mekaniske tolerancer.

En dedikeret sensor og en estimeret kraft er derfor ikke nødvendigvis lige gode løsninger. Det afhænger af den præcision og robusthed, opgaven kræver.