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रोबोट भुजा को केवल "इस निर्देशांक पर जाएँ" का आदेश देना - स्थिति नियंत्रण - मुक्त स्थान में भुजा की गति के दौरान ठीक काम करता है। यदि लक्ष्य किसी कठोर सतह के पार स्थित है, तो स्थिति त्रुटि को कम करने से एक बड़ा संपर्क बल उत्पन्न हो सकता है। इसका परिमाण लाभ, यांत्रिक और पर्यावरणीय कठोरता, पहुँच गति और टॉर्क सीमाओं पर निर्भर करता है। संपर्क से स्थिति नियंत्रण का विफल होना अनिवार्य नहीं है; अंतःक्रिया बल को नियंत्रित करने के लिए अतिरिक्त डिज़ाइन की आवश्यकता होती है। यह लेख इसी ठोस विफलता - "संपर्क के क्षण में क्या होता है" - से शुरू होता है और व्यवस्थित रूप से प्रतिबाधा नियंत्रण (इम्पीडेंस कंट्रोल) पर काम करता है, जो एक आभासी स्प्रिंग, डैम्पर और द्रव्यमान का उपयोग करके बल और रोबोट गति के बीच संबंध को परिभाषित करता है; प्रवेश नियंत्रण (एडिशन कंट्रोल) जो उस कारण-कार्य संबंध को उलट देता है; और संकर स्थिति/बल नियंत्रण (हाइब्रिड स्थिति/बल नियंत्रण) जो स्थानिक दिशा के आधार पर स्थिति और बल को अलग करता है, और पूरी प्रक्रिया में समीकरणों का अनुसरण करता है।

Schunk SVH servo-electric five-finger hand at Hannover Messe 2016एक रोबोटिक हाथ जो बल और स्पर्श को महसूस करता है, फील्ड में

छवि: Robotic Hand at Hannover Messe 2016 (NearEMPTiness, CC BY-SA 4.0), विकिमीडिया कॉमन्स। यह लेख संपर्क और पकड़ बल को महसूस करने वाले बहु-उंगली वाले हाथ का एक प्रतिनिधि उदाहरण है, न कि पाठ में वर्णित प्रतिबाधा या प्रवेश नियंत्रण का कोई विशिष्ट कार्यान्वयन।

0. इस लेख में क्या शामिल है

  • रोबोट के अपने परिवेश के संपर्क में आने वाले कार्यों को केवल स्थिति नियंत्रण द्वारा क्यों नहीं संभाला जा सकता
  • बल नियंत्रण द्वारा संभाले जाने वाले इनपुट (स्थिति/बल संवेदन) और इसके आउटपुट (टॉर्क, संयुक्त कोण) के बीच संबंध
  • प्रतिबाधा नियंत्रण "आभासी स्प्रिंग, डैम्पर और द्रव्यमान" के माध्यम से स्थिति त्रुटि और बल को कैसे जोड़ता है
  • प्रवेश नियंत्रण एक ऐसा डिज़ाइन कैसे है जो प्रतिबाधा नियंत्रण के कार्य-कारण को उलट देता है
  • संकर स्थिति/बल नियंत्रण के पीछे का विचार — विवश और मुक्त दिशाओं को स्थानिक रूप से अलग करना
  • शुद्ध बल नियंत्रण, प्रतिबाधा नियंत्रण, प्रवेश नियंत्रण और संकर नियंत्रण के बीच अंतर, और प्रत्येक का उपयोग कब करना है
  • कठोर वातावरण, घर्षण और सेंसर शोर बल नियंत्रण को क्यों कठिन बनाते हैं
  • औद्योगिक रोबोट असेंबली/पॉलिशिंग, सहयोगी रोबोट सुरक्षा कार्यों और मानवाकार चलने में विधि का चुनाव कैसे बदलता है

1. सबसे पहले मुख्य बात: बल नियंत्रण और प्रतिबाधा नियंत्रण क्या हैं?

संक्षेप में: बल नियंत्रण एक ऐसा ढांचा है जो रोबोट के हाथ (या जोड़ों) द्वारा वातावरण पर लगाए गए या उससे प्राप्त बल को केवल स्थिति के रूप में नहीं, बल्कि एक स्पष्ट नियंत्रण लक्ष्य के रूप में मानता है। वहीं, प्रतिबाधा नियंत्रण, जो इसी ढांचे का एक प्रतिनिधि डिजाइन है, स्थिति त्रुटि और बल के बीच संबंध को एक आभासी स्प्रिंग, अवमंदन और द्रव्यमान (यांत्रिक प्रतिबाधा) के रूप में परिभाषित करके बल को अप्रत्यक्ष रूप से नियंत्रित करता है।

यहाँ महत्वपूर्ण अंतर यह है कि "बल को सीधे नियंत्रित करना" और "बल और स्थिति के बीच संबंध को परिभाषित करना" अलग-अलग बातें हैं। शुद्ध बल नियंत्रण बल को ही लक्षित करता है - "इस दिशा में 10 N का बल लगाएँ" - जबकि प्रतिबाधा नियंत्रण स्थिति और बल के बीच एक व्यवहारिक नियम को लक्षित करता है: "यदि स्थिति में विचलन होता है, तो उस विचलन के समानुपाती बल से पीछे धकेलें (या खुद को पीछे धकेलने दें)।" जैसा कि हम आगे के अनुभागों में देखेंगे, इस अंतर का संपर्क में निहित अनिश्चितता के प्रति मजबूती पर गहरा प्रभाव पड़ता है।

2. उच्च कठोरता वाले स्थिति नियंत्रण से बड़े संपर्क बल क्यों उत्पन्न हो सकते हैं

अधिकांश औद्योगिक रोबोट भुजाएँ स्थिति नियंत्रण पर आधारित होती हैं, जो उच्च-लाभ वाले पीडी नियंत्रण का उपयोग करके लक्ष्य संयुक्त कोण को निरंतर ट्रैक करता है। जब भुजा मुक्त स्थान में गति कर रही होती है, तो इससे कोई समस्या नहीं होती — यह लक्ष्य और वर्तमान स्थिति के बीच के अंतर (त्रुटि) को कम करने के लिए केवल टॉर्क उत्पन्न करता है, और भुजा अपने इच्छित पथ का सटीक रूप से अनुसरण करती है।

समस्या तब उत्पन्न होती है जब भुजा किसी कठोर वस्तु के संपर्क में आती है। स्थिति-नियंत्रण नियंत्रक "मैं लक्ष्य स्थिति तक नहीं पहुँचा हूँ" त्रुटि का पता लगाता रहता है और इसे कम करने के लिए टॉर्क उत्पन्न करता रहता है। लेकिन क्योंकि वातावरण (टेबलटॉप, स्क्रू होल की दीवार) स्थिर रहता है, भुजा आगे नहीं बढ़ पाती। एक आदर्श कठोर-पिंड संपर्क में, इस स्थिति को निम्नानुसार औपचारिक रूप दिया जा सकता है।

\tau = K_p (\theta_d - \theta) + K_d (\dot{\theta}_d - \dot{\theta})

निश्चित लक्ष्यों और सीमित लाभों के लिए, एक पीडी नियंत्रक निश्चित त्रुटि पर सीमित टॉर्क उत्पन्न करता है; समय बीतने के साथ टॉर्क असीमित रूप से नहीं बढ़ता है। बड़े लाभ या सतह में प्रवेश करने वाला लक्ष्य अत्यधिक संपर्क बल उत्पन्न कर सकता है। एकीकृत क्रिया एक अलग वाइंडअप समस्या उत्पन्न करती है। वास्तविक प्रणाली में टॉर्क सीमा, अनुपालन और पहुँच गति का मूल्यांकन करें।

इसके अलावा, स्थिति नियंत्रण यह मानता है कि "लक्ष्य प्रक्षेप पथ" स्वयं पर्यावरण की ज्यामिति से बिल्कुल मेल खाता है। एक पेंच छेद में पिन डालने पर विचार करें: यदि छेद का केंद्र बिंदु 0.1 मिमी भी गलत है, तो केवल स्थिति नियंत्रण वाला रोबोट ठीक उसी त्रुटि के कारण दीवार पर दबाव डालता रहेगा। मनुष्य इस प्रकार का मैनुअल कार्य कर सकते हैं क्योंकि हमारी कलाई और उंगलियों में स्वाभाविक रूप से कोमलता (अनुपालन) होती है - "बल को महसूस करें, और थोड़ा झुकें" - और रोबोटों को जानबूझकर इसी गुण को इंजीनियरिंग द्वारा शामिल करने की आवश्यकता होती है। यही बल नियंत्रण और प्रतिबाधा नियंत्रण के पीछे का मूलमंत्र है।

3. इनपुट क्या हैं?

बल नियंत्रण केवल स्थिति नियंत्रण की तुलना में अधिक सूचना स्रोतों का उपयोग करता है।

  • जोड़ कोण और जोड़ कोणीय वेग: एनकोडर से प्राप्त जोड़ की स्थिति \theta, \dot{\theta}, जो स्थिति नियंत्रण के साथ साझा की जाती है।

  • हाथ (या पूरी भुजा) पर लगाया गया बल/टॉर्क: वातावरण से प्राप्त वास्तविक बल F_{\text{ext}}, जो कलाई पर लगे 6-अक्षीय F/T सेंसर या प्रत्येक जोड़ पर लगे टॉर्क सेंसर से प्राप्त होता है। इस बल संवेदन के सिद्धांत को बल/स्पर्श सेंसर कैसे काम करते हैं, और अग्रणी उत्पाद में विस्तार से समझाया गया है।

  • लक्ष्य प्रक्षेप पथ / लक्ष्य प्रतिबाधा: हाथ द्वारा प्राप्त की जाने वाली संदर्भ स्थिति \mathbf{x}_d के अलावा, प्रतिबाधा नियंत्रण के लिए डिजाइनर द्वारा इनपुट के रूप में लक्ष्य आभासी द्रव्यमान, अवमंदन और कठोरता पैरामीटर (M_d, D_d, K_d) भी पहले से दिए जाने आवश्यक हैं।

  • संपर्क और पर्यावरणीय गुणों के बारे में जानकारी: हाइब्रिड नियंत्रण जैसी विधियाँ, जो यह मानती हैं कि किसी दिशा का अवरोध स्थानिक दिशा के अनुसार भिन्न होता है, डिज़ाइन इनपुट के रूप में यह भी लेती हैं कि कौन सी दिशाएँ पर्यावरण द्वारा अवरुद्ध हैं (चयन मैट्रिक्स)।

बल संवेदन का समावेश स्थिति नियंत्रण से सबसे बड़ा अंतर है। बल संवेदक की बैंडविड्थ, नमूना दर और शोर विशेषताएँ सीधे संपूर्ण बल-नियंत्रण लूप की प्रतिक्रिया गति और स्थिरता को नियंत्रित करती हैं।

4. हम क्या हल कर रहे हैं? आउटपुट क्या हैं?

बल नियंत्रण अंततः, स्थिति नियंत्रण की तरह, प्रत्येक जोड़ को एक टॉर्क कमांड \tau आउटपुट करता है। विधि के अनुसार अंतर यह है कि उस टॉर्क की गणना किस लक्ष्य को लक्षित करती है।

  • शुद्ध बल नियंत्रण: लक्ष्य बल F_d और मापे गए बल F_{\text{ext}} के बीच के अंतर को सीधे फीडबैक करता है, जिससे बल त्रुटि शून्य की ओर अग्रसर होती है।

  • प्रतिबाधा नियंत्रण: लक्ष्य "स्थिति और बल के बीच संबंध" (एक आभासी स्प्रिंग, डैम्पर और द्रव्यमान) को साकार करने वाला टॉर्क उत्पन्न करता है। संपर्क बल पर्यावरणीय कठोरता, प्रवेश, विलंब और संतृप्ति द्वारा निर्धारित होता है, इसलिए कठोर वातावरण में भी अत्यधिक बल को स्वचालित रूप से रोकने की कोई गारंटी नहीं है।

  • प्रवेश नियंत्रण: मापे गए या अनुमानित बल से स्थिति सुधार (या वेग सुधार) की गणना करता है और इसे आंतरिक स्थिति-नियंत्रण लूप में भेजता है। बल इनपुट है और सुधार आउटपुट है - प्रतिबाधा नियंत्रण के सापेक्ष कार्य-कारण संबंध उलट जाता है।

  • हाइब्रिड स्थिति/बल नियंत्रण: कार्य क्षेत्र को "स्थिति को नियंत्रित करने की दिशाएँ" और "बल को नियंत्रित करने की दिशाएँ" में विभाजित करता है, और प्रत्येक दिशा पर एक साथ एक अलग नियंत्रण नियम (स्थिति या बल नियंत्रण) लागू करता है।

इन सभी विधियों का एक ही साझा लक्ष्य है — "संपर्क के दौरान उत्पन्न बल को ऐसी सीमा में रखना जिससे कोई क्षति या दुर्घटना न हो, साथ ही कार्य के लिए उपयुक्त प्रक्षेप पथ और बल स्तर प्राप्त करना" — समीकरणों की एक अलग व्यवस्था के माध्यम से।

5. मूल संरचना

बल नियंत्रण से संबंधित लूप को इस संरचना के आधार पर व्यवस्थित किया जा सकता है कि बल प्रतिक्रिया (फोर्स फीडबैक) किस प्रकार और कहाँ स्थिति-नियंत्रण लूप में समाहित होती है। सबसे पहले, आइए एक आरेख में प्रतिबाधा नियंत्रण और प्रवेश नियंत्रण के बीच कार्य-कारण संबंध के अंतर को देखें।

Diagram 1 · Use the button to switch views
The difference in causality between impedance control and admittance control A diagram showing that impedance control is a top loop that takes position error as input and outputs force, while admittance control is a bottom loop that takes force as input and outputs a position correction, which it passes to the inner position-control loop Impedance control (position → force) Target position x_d Actual position x Virtual spring/damper/mass M(ẍ-ẍd)+D(ẋ-ẋd)+K(x-xd) Target reaction force F Joint torque τ = Jᵀ F Admittance control (force → position) Measured force F_ext Virtual mass/damper/spring Mẍ+Dẋ+Kx = F_ext Position correction Δx Inner position-control loop The motion produced by position control is measured again by the force sensor (feedback)

चित्र 1 — प्रतिबाधा नियंत्रण स्थिति (त्रुटि) को इनपुट के रूप में लेता है और बल आउटपुट करता है, जिसे टॉर्क कमांड में परिवर्तित किया जाता है। इसके विपरीत, प्रवेश नियंत्रण बल को इनपुट के रूप में लेता है और स्थिति सुधार आउटपुट करता है, जिसे मौजूदा स्थिति-नियंत्रण लूप में भेजा जाता है। दोनों समान "आभासी स्प्रिंग, अवमंदन और द्रव्यमान" संबंध का उपयोग करते हैं, बस इनपुट और आउटपुट उलट दिए जाते हैं।

अब, आइए देखें कि संकर स्थिति/बल नियंत्रण कार्य क्षेत्र को दो उप-क्षेत्रों में कैसे विभाजित करता है।

Diagram 2 · Use the button to switch views
The structure of hybrid position/force control A diagram showing that a selection matrix splits the task space into position-control directions and force-control directions, applies an independent control law to each, and then combines them into a joint torque Target position/force x_d, F_d Selection matrix S, (I-S) Split by direction Free direction (unconstrained) Position control Constrained direction (touching environment) Force control Combine τ = τ_pos + τ_force

चित्र 2 — हाइब्रिड स्थिति/बल नियंत्रण एक चयन मैट्रिक्स का उपयोग करके कार्य स्थान की प्रत्येक दिशा को "स्थिति को नियंत्रित करने की दिशा" और "बल को नियंत्रित करने की दिशा" में विभाजित करता है, प्रत्येक के लिए स्वतंत्र रूप से टॉर्क की गणना करता है, और उन्हें एक एकल संयुक्त-टॉर्क कमांड में संयोजित करता है।

6. प्रतिनिधि एल्गोरिदम

अनुपालन नियंत्रण — बल नियंत्रण का सैद्धांतिक आधार

बल-प्रतिक्रिया नियंत्रण को व्यवस्थित रूप से औपचारिक रूप देने वाले महत्वपूर्ण प्रारंभिक कार्यों में से एक मैथ्यू टी. मेसन का 1981 में IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics में प्रकाशित शोध पत्र "Compliance and Force Control for Computer Controlled Manipulators" है। इस शोधपत्र ने रोबोट के हाथ की स्थिति पर कार्य वस्तु की ज्यामिति द्वारा लगाए गए प्रतिबंध के प्रकार (प्राकृतिक प्रतिबंध और कृत्रिम प्रतिबंध) के आधार पर स्थिति और बल को वर्गीकृत करने के लिए एक ढांचा प्रदान किया, और यह नीचे चर्चा किए गए संकर स्थिति/बल नियंत्रण का सैद्धांतिक आधार बन गया। यह विचार—ज्यामितीय रूप से यह निर्धारित करना कि "कार्य निर्देशांक फ्रेम के किस अक्ष के अनुदिश स्थिति को नियंत्रित किया जाना चाहिए, और किस अक्ष के अनुदिश बल को नियंत्रित किया जाना चाहिए"—आज भी बल नियंत्रण के लिए पाठ्यपुस्तक का प्रारंभिक बिंदु बना हुआ है।

संकर स्थिति/बल नियंत्रण—स्थान को विभाजित करके एक साथ नियंत्रण करना

एम.एच. राइबर्ट और जे.जे. क्रेग के 1981 के एएसएमई के जर्नल ऑफ डायनेमिक सिस्टम्स, मेजरमेंट, एंड कंट्रोल में प्रकाशित शोधपत्र, "मैनिपुलेटर्स का संकर स्थिति/बल नियंत्रण," में संकरित स्थिति/बल नियंत्रण का प्रस्ताव दिया गया था, जो कार्य-स्थान निर्देशांक फ्रेम के प्रत्येक अक्ष को स्पष्ट रूप से एक दिशा में विभाजित करता है जहां स्थिति को नियंत्रित किया जाना चाहिए और एक दिशा में जहां बल को नियंत्रित किया जाना चाहिए, और दोनों को एक साथ नियंत्रित करता है। एक असेंबली कार्य का उदाहरण लेते हुए जो मेज की सतह पर सरकता है: मेज के लंबवत दिशा (जहाँ आप दबाव बल को स्थिर रखना चाहते हैं) बल नियंत्रण प्राप्त करती है, और मेज के समानांतर दो दिशाएँ (जहाँ आप एक प्रक्षेप पथ का पता लगाना चाहते हैं) स्थिति नियंत्रण प्राप्त करती हैं।

गणितीय रूप से, यह एक चयन मैट्रिक्स S का उपयोग करता है जिसके विकर्ण प्रविष्टियाँ 0 या 1 हैं, उन दिशाओं के साथ स्थिति-नियंत्रण नियम लागू करता है जहाँ S 1 है और उन दिशाओं के साथ बल-नियंत्रण नियम लागू करता है जहाँ (I - S) 1 है।

\tau = J^{\top}\left[ S\, F_{\text{pos}} + (I - S)\, F_{\text{force}} \right]

F_{\text{pos}} स्थिति त्रुटि से परिकलित आभासी बल है, और F_{\text{force}} बल त्रुटि से परिकलित आभासी बल है। इस विधि की खूबी इसकी सहज स्पष्टता में निहित है, लेकिन यह मानती है कि विवश दिशा कार्य समन्वय फ्रेम के अक्ष के साथ बिल्कुल संरेखित होती है, जो पर्यावरण के आकार या स्थिति के अनिश्चित होने पर एक कमजोरी बन जाती है, क्योंकि चयन मैट्रिक्स को डिज़ाइन करना ही कठिन हो जाता है।

प्रतिबाधा नियंत्रण — स्थिति और बल के बीच संबंध को परिभाषित करना

नेविल होगन का 1985 में ASME के जर्नल ऑफ़ डायनेमिक सिस्टम्स, मेज़रमेंट, एंड कंट्रोल में प्रकाशित तीन भागों वाला शोध पत्र, "प्रतिबाधा नियंत्रण: हेरफेर के लिए एक दृष्टिकोण" (भाग I — सिद्धांत, भाग II — कार्यान्वयन, भाग III — अनुप्रयोग), हाइब्रिड नियंत्रण से एक अलग विचार प्रस्तुत करता है। नियंत्रण लक्ष्य के रूप में स्थिति या बल में से किसी एक को चुनने के बजाय, यह लक्ष्य आभासी द्रव्यमान, अवमंदन और कठोरता मापदंडों का उपयोग करके स्थिति त्रुटि और हाथ द्वारा प्रतिक्रिया में लगाए गए (या प्राप्त किए गए) बल के बीच संबंध को परिभाषित करता है।

M_d\, \ddot{\mathbf{e}} + D_d\, \dot{\mathbf{e}} + K_d\, \mathbf{e} = F_{\text{ext}},\qquad \mathbf{e}=\mathbf{x}-\mathbf{x}_d

M_d, D_d, K_d क्रमशः लक्ष्य आभासी द्रव्यमान, आभासी अवमंदन गुणांक और आभासी कठोरता (स्प्रिंग स्थिरांक) हैं — ये पैरामीटर डिज़ाइनर द्वारा कार्य के अनुसार चुने जाते हैं। यह समीकरण हाथ के व्यवहार को एक आभासी यांत्रिक प्रणाली के रूप में दर्शाने का प्रयास करता है जो द्रव्यमान, स्प्रिंग और अवमंदन से बनी है: "हाथ लक्ष्य स्थिति से जितना दूर जाता है, उतना ही वह बाहरी बल F_{\text{ext}} के प्रति स्प्रिंग की तरह पीछे धकेलता है (या पीछे धकेला जाता है)।" K_d का मान बड़ा या छोटा होने पर हाथ अधिक कठोर या अधिक कोमल प्रतिक्रिया करता है, और D_d दोलन को दबाने वाले अवमंदन को नियंत्रित करता है।

महत्वपूर्ण बात यह है कि प्रतिबाधा नियंत्रण सीधे लक्ष्य बल को नियंत्रित नहीं करता है। यदि वातावरण कठोर है, तो स्थिति में थोड़ी सी भी त्रुटि उसे संतुलित करने के लिए एक बड़ा प्रतिक्रिया बल उत्पन्न करती है, इसलिए परिणामस्वरूप अत्यधिक बल से बचा जाता है। इसके विपरीत, मुक्त स्थान में बाह्य बल शून्य होता है, इसलिए यह समीकरण मूलतः सामान्य स्थिति नियंत्रण (स्प्रिंग और डैम्पर के माध्यम से प्रक्षेप पथ ट्रैकिंग) के समान व्यवहार में परिवर्तित हो जाता है। यह मजबूती — एक ही नियंत्रण नियम मुक्त स्थान और संकुचित स्थान में स्वाभाविक रूप से अपना व्यवहार बदलता है, बिना इस बात पर स्पष्ट रूप से निर्भर किए कि संपर्क हुआ है या नहीं या वातावरण कितना कठोर है — यही कारण है कि बल नियंत्रण के मूल सिद्धांत के रूप में प्रतिबाधा नियंत्रण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

प्रवेश नियंत्रण — एक विपरीत दिशा वाला डिज़ाइन जो बल से स्थिति सुधार की गणना करता है

जहां प्रतिबाधा नियंत्रण एक ऐसा डिज़ाइन है जो "स्थिति (त्रुटि) को इनपुट के रूप में लेता है और बल आउटपुट करता है," वहीं प्रवेश नियंत्रण विपरीत कार्य-कारण वाला डिज़ाइन है: "बल को इनपुट के रूप में लेता है और स्थिति (सुधार) आउटपुट करता है।" मापी गई बाह्य बल F_{\text{ext}} को उसी द्रव्यमान/अवमंदन/कठोरता यांत्रिक प्रणाली में डाला जाता है, और परिणामी स्थिति सुधार \Delta \mathbf{x} को एक मौजूदा (उच्च-लाभ) स्थिति-नियंत्रण लूप के लक्ष्य मान में जोड़ा जाता है।

M_d\, \ddot{\Delta\mathbf{x}} + D_d\, \dot{\Delta\mathbf{x}} + K_d\, \Delta\mathbf{x} = F_{\text{ext}},\qquad \mathbf{x}_{\text{cmd}}=\mathbf{x}_d+\Delta\mathbf{x}

इस समीकरण को समाकलित करके (संख्यात्मक या विश्लेषणात्मक रूप से) प्राप्त \mathbf{x} आंतरिक स्थिति-नियंत्रण लूप को सौंपी गई संशोधित लक्ष्य स्थिति बन जाती है। गणितीय रूप लगभग प्रतिबाधा-नियंत्रण समीकरण के समान है, लेकिन मुख्य अंतर यह है कि इनपुट और आउटपुट में क्या अंतर है। कारणता में यह अंतर इस बात से जुड़ा है कि क्या एक्चुएटर व्यवहार में सीधे टॉर्क को नियंत्रित कर सकता है - उच्च-प्रदर्शन वाले एक्चुएटर वाला रोबोट जो सीधे संयुक्त टॉर्क को नियंत्रित कर सकता है, प्रतिबाधा नियंत्रण को आसानी से लागू कर सकता है, जबकि एक औद्योगिक रोबोट जिसमें कठोर रिडक्शन गियर होता है जो केवल स्थिति (या वेग) को नियंत्रित कर सकता है, उसके लिए प्रवेश नियंत्रण, जो बल की जानकारी को स्थिति कमांड में परिवर्तित करता है, को मौजूदा स्थिति-नियंत्रण लूप पर लागू करना आसान होता है।

7. एल्गोरिदम कैसे भिन्न हैं

विधि सिद्धांत सटीकता (बल ट्रैकिंग) गणना लागत बदलते पर्यावरणीय कठोरता के प्रति मजबूती कार्यान्वयन कठिनाई
शुद्ध बल नियंत्रण बल त्रुटि को सीधे वापस भेजता है उच्च (लक्ष्य बल के प्रति विश्वसनीय) निम्न निम्न (कठोर वातावरण में अस्थिरता की संभावना) मध्यम
संकर स्थिति/बल नियंत्रण दिशा के अनुसार स्थिति और बल नियंत्रण को अलग करने के लिए एक चयन मैट्रिक्स का उपयोग करता है प्रतिबंधित दिशाओं में उच्च, मुक्त दिशाओं में उच्च स्थिति ट्रैकिंग मध्यम (चयन मैट्रिक्स डिजाइन करना आवश्यक है) मध्यम (यदि प्रतिबंध-दिशा धारणा गलत है तो कमजोर) मध्यम से उच्च (कार्य-निर्देशांक-फ्रेम डिजाइन करना आवश्यक है)
प्रतिबाधा नियंत्रण आभासी स्प्रिंग/डैम्पर/द्रव्यमान के माध्यम से स्थिति त्रुटि और बल को जोड़ता है केवल अप्रत्यक्ष बल नियंत्रण (लक्ष्य बल की खराब ट्रैकिंग) मध्यम उच्च (संपर्क/गैर-संपर्क के बीच स्पष्ट रूप से स्विच करने की आवश्यकता नहीं) उच्च (टॉर्क-नियंत्रणीय एक्चुएटर्स मानता है)
प्रवेश नियंत्रण बल को इनपुट के रूप में लेता है, स्थिति सुधार आउटपुट करता है, इसे आंतरिक स्थिति-नियंत्रण लूप में भेजता है प्रतिबाधा नियंत्रण के समान अप्रत्यक्षता मध्यम उच्च मध्यम (मौजूदा स्थिति-नियंत्रित रोबोट पर आसानी से रेट्रोफिट किया जा सकता है)

सामान्य तौर पर, यदि लक्ष्य बल के प्रति निष्ठा प्राथमिकता है, तो शुद्ध बल नियंत्रण या हाइब्रिड नियंत्रण बेहतर होता है; यदि अनिश्चित पर्यावरणीय कठोरता या आकार के तहत स्थिरता और सुरक्षा को प्राथमिकता दी जाती है, तो प्रतिबाधा नियंत्रण या प्रवेश नियंत्रण बेहतर होता है। चूंकि अधिकांश वास्तविक औद्योगिक रोबोटों में ऐसे जोड़ होते हैं जो सीधे टॉर्क को नियंत्रित नहीं कर सकते (वे ज्यादातर स्थिति/वेग-नियंत्रित तंत्र होते हैं), इसलिए प्रवेश नियंत्रण, या दोनों को मिलाकर बनाया गया एक हाइब्रिड कार्यान्वयन, प्रतिबाधा नियंत्रण की तुलना में अधिक अपनाया जाता है।

8. कठिन परिस्थितियाँ / चुनौतीपूर्ण वातावरण

वास्तविक दुनिया के संचालन में बल नियंत्रण और प्रतिबाधा नियंत्रण को जिन कठिनाइयों का सामना करना पड़ता है, उन्हें मोटे तौर पर इस प्रकार व्यवस्थित किया जा सकता है।

अत्यधिक कठोर वातावरण में स्थिरता: यदि प्रतिबाधा-नियंत्रण समीकरण में लक्ष्य कठोरता K_d बहुत अधिक निर्धारित की जाती है, तो एक छोटी सी स्थिति त्रुटि भी एक बड़ा बल उत्पन्न करती है, जो सेंसर सैंपलिंग विलंब और जोड़ की लोच (गियर फ्लेक्स, आदि) के साथ परस्पर क्रिया करके दोलनशील अस्थिरता (संपर्क अस्थिरता) को जन्म दे सकती है। इसके विपरीत, यदि K_d का मान बहुत कम रखा जाता है, तो लक्ष्य पथ का पता लगाना संभव नहीं रहता। K_d का सही चयन करना, वातावरण की वास्तविक कठोरता की पूर्व जानकारी के बिना, मुश्किल है।

घर्षण और एक्चुएटर की अरैखिकता: संयुक्त रिडक्शन गियर और बेल्ट ड्राइव में घर्षण और बैकलैश (प्ले) होता है, जो आदर्श टॉर्क-नियंत्रण समीकरण में दिखाई न देने वाले व्यवधानों के रूप में कार्य करते हैं। विशेष रूप से सस्ते रिडक्शन गियर का उपयोग करने वाले रोबोटों में, यह घर्षण प्रतिबाधा नियंत्रण द्वारा माने गए "आभासी स्प्रिंग/डैम्पर" व्यवहार को सटीक रूप से पुन: उत्पन्न होने से रोक सकता है।

बल संवेदक शोर और बैंडविड्थ: बल-नियंत्रण लूप की प्रतिक्रिया गति सीधे बल संवेदक की नमूना दर और शोर विशेषताओं द्वारा सीमित होती है। शोर वाले संवेदक आउटपुट को सीधे फीडबैक लूप में भेजने से नियंत्रण नियम अनपेक्षित उच्च-आवृत्ति कंपन को बढ़ा देता है, इसलिए फ़िल्टरिंग और नियंत्रण बैंडविड्थ के बीच संतुलन बनाना हमेशा आवश्यक होता है।

पर्यावरण के आकार और कठोरता का अपर्याप्त पूर्व ज्ञान: हाइब्रिड स्थिति/बल नियंत्रण के लिए यह जानना आवश्यक है कि विवश दिशा किस अक्ष से संबंधित है। यदि वास्तविक कार्य वस्तु की स्थिति या आकार में कोई त्रुटि होती है, तो अनुमानित दिशा से भिन्न दिशा में अप्रत्याशित बल उत्पन्न होता है, और चयन-मैट्रिक्स डिज़ाइन ही विफल हो जाता है।

बहु-बिंदु और सतह संपर्क: अब तक की अधिकांश चर्चा में हाथ के एक बिंदु को पर्यावरण के संपर्क में माना गया है। बहु-बिंदु या सतह संपर्क में, जैसे कि रोबोटिक हाथ किसी वस्तु को पकड़ता है, प्रत्येक संपर्क बिंदु के बल को अलग-अलग नियंत्रित करना आवश्यक होता है, जिससे एकल-बिंदु प्रतिबाधा-नियंत्रण ढांचे का विस्तार करना कठिन हो जाता है।

9. व्यावहारिक विकल्प

बल नियंत्रण और प्रतिबाधा नियंत्रण में से किसी एक दृष्टिकोण का चयन रोबोट में लगे एक्चुएटर के प्रकार, कार्य की प्रकृति और सुरक्षा आवश्यकताओं पर निर्भर करता है।

  • औद्योगिक रोबोट आर्म असेंबली/पॉलिशिंग (स्क्रू कसना, डिबरिंग, फिटिंग कार्य): इनमें से कई कार्यों में पहले से ही एक निश्चित दिशा ज्ञात होती है, इसलिए हाइब्रिड स्थिति/बल नियंत्रण, या प्रवेश नियंत्रण, जिसे मौजूदा स्थिति-नियंत्रित रोबोट पर आसानी से लगाया जा सकता है, का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। पॉलिशिंग कार्य - दबाव बल को स्थिर रखते हुए सतह पर निशान बनाना - एक उत्कृष्ट उदाहरण है जहां बल-नियंत्रण और स्थिति-नियंत्रण दिशाओं को स्पष्ट रूप से अलग किया जाता है।

  • सहयोगी रोबोट (कोबोट) सुरक्षा कार्य: मानव संपर्क का पता लगाने और बल को तुरंत कम करने या रोकने का सुरक्षा कार्य अक्सर संयुक्त टॉर्क सेंसर या कलाई बल/टॉर्क सेंसर से प्राप्त संकेतों का उपयोग करके प्रतिबाधा-नियंत्रण जैसी डिज़ाइन (नरम आभासी कठोरता) के साथ संयोजित किया जाता है। ISO/TS 15066 जैसे सहयोगी रोबोट सुरक्षा मानकों द्वारा निर्धारित संपर्क बल की ऊपरी सीमाएँ सीधे इस प्रकार के बल-नियंत्रण डिज़ाइन लक्ष्य से जुड़ी होती हैं।

  • मानव-जैसे रोबोट और पैर वाले रोबोटों का चलना और पैर का ज़मीन से संपर्क: असमान सतह पर संतुलन बनाए रखने के लिए, पैर के ज़मीन पर पड़ते ही लगने वाले झटके को सोखने के लिए प्रत्येक पैर के जोड़ पर प्रतिबाधा नियंत्रण (या संपूर्ण शरीर नियंत्रण, जो पूरे शरीर की प्रतिबाधा को एकीकृत रूप से संभालता है) लगाना आम बात है। ज़मीन की कठोरता अक्सर अज्ञात होती है, और यहीं पर प्रतिबाधा नियंत्रण की बदलती पर्यावरणीय कठोरता के प्रति मज़बूती काम आती है।

  • कृत्रिम अंग और पुनर्वास रोबोट (लोगों के सीधे संपर्क में आने वाले उपकरण): इन्हें पहनने वाले व्यक्ति द्वारा लगाए गए बल में अनपेक्षित परिवर्तनों का धीरे से अनुसरण करने की आवश्यकता होती है, और प्रवेश नियंत्रण, जो बल को इनपुट के रूप में मान सकता है, को प्राथमिकता दी जाती है क्योंकि इसे मौजूदा स्थिति-नियंत्रण-चालित एक्चुएटर कॉन्फ़िगरेशन में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है।

  • निरीक्षण और मापन कार्य जिनमें सटीक बल मानों की आवश्यकता होती है: जब किसी लक्ष्य बल का सटीक ट्रैकिंग सर्वोच्च प्राथमिकता होती है, तो शुद्ध बल नियंत्रण या हाइब्रिड नियंत्रण, प्रतिबाधा नियंत्रण या प्रवेश नियंत्रण की तुलना में बेहतर होता है, जो केवल अप्रत्यक्ष रूप से बल को नियंत्रित करते हैं।

हर अनुप्रयोग में, बल नियंत्रण कभी भी केवल रोबोट तक सीमित एक पृथक तकनीक नहीं होती है — वास्तविक हार्डवेयर पर सार्थक "कोमल संपर्क" प्राप्त करने के लिए बल और टॉर्क का पता लगाने वाले बल/स्पर्श संवेदकों, जोड़ स्थान और कार्य स्थान को जोड़ने वाले गतिकी (व्युत्क्रम गतिकी और जैकोबियन), और जोड़ टॉर्क उत्पन्न करने वाले एक्चुएटर की विशेषताओं का संयोजन आवश्यक होता है (हाइड्रोलिक ड्राइव के साथ बल नियंत्रण के लिए हाइड्रोलिक सिस्टम प्राइमर देखें)।

10. सारांश (तीन-पंक्ति में सारांश)

  • केवल स्थिति नियंत्रण वाला रोबोट कठोर वातावरण के संपर्क में आते ही विफल हो जाता है, क्योंकि वह अत्यधिक बल लगाने का प्रयास करता है — यही कारण है कि बल को स्पष्ट रूप से नियंत्रित करने वाले नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

  • प्रतिबाधा नियंत्रण आभासी स्प्रिंग, अवमंदन और द्रव्यमान के माध्यम से स्थिति त्रुटि और बल को जोड़ता है; प्रवेश नियंत्रण इस कारण-कार्य संबंध को उलट देता है, बल से स्थिति सुधार की गणना करता है।

  • संकर स्थिति/बल नियंत्रण में स्थान को स्थिति-नियंत्रण और बल-नियंत्रण दिशाओं में विभाजित करने की स्पष्टता होती है, लेकिन यह पर्यावरण की स्थिति और आकार के पूर्व ज्ञान पर निर्भर करता है।

नियंत्रण उद्देश्यों के लिए प्राथमिक संदर्भ

अपनी समझ की जाँच करें
क्या प्रतिबाधा नियंत्रण केवल एक स्थिर संपर्क बल बनाए रखता है?

यह मुख्य रूप से बल और गति के बीच संबंध को आकार देता है।

इसे बल ट्रैकिंग से अलग पहचानें और संपर्क स्थितियों और स्थिरता की जांच करें।

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