In contact-rich manipulation, the robot dynamics are coupled with an environment that has application-specific dynamic properties (stiffness, inertia) and geometry (contact normal). Knowledge of these environmental parameters can improve control and monitoring, but they are often unobserved and may vary, either online or between task instances. Observers, such as the extended Kalman filter, can be used to estimate these parameters, but such model-based techniques can require too much engineering work to scale up to complex environments, such as multi-point contact. To accelerate environment modeling, we propose environment primitives: parameterized environment dynamics that can be connected in parallel and are expressed in an automatic differentiation framework. This simplifies offline gradient-based optimization to fit model parameters and linearization of the coupled dynamics for an observer. This method is implemented for stiffness contact models, allowing the fitting of contact geometry and stiffness offline or their online estimation by an extended Kalman filter. This method is applied to a collaborative robot, estimating external force, contact stiffness, and contact geometry from the motor position and current. The estimates of external force and stiffness are compared with a momentum observer and direct force measurements.


翻译:在富含接触的操作中,机器人动力学与具有特定应用动态特性(刚度、惯性)和几何特性(接触法向)的环境相互耦合。了解这些环境参数有助于改善控制与监测,但这些参数通常不可观测,且可能在任务实例间或在线运行时发生变化。扩展卡尔曼滤波器等观测器可用于估计这些参数,但此类基于模型的技术需要大量工程工作才能扩展到复杂环境(如多点接触)。为加速环境建模,我们提出环境基元:一种参数化环境动力学单元,可并行连接并通过自动微分框架表达。这简化了基于梯度的离线优化以拟合模型参数,以及用于观测器的耦合动力学线性化。该方法在刚度接触模型上实现,允许离线拟合接触几何与刚度,或通过扩展卡尔曼滤波器进行在线估计。该方法应用于协作机器人,从电机位置和电流中估计外部力、接触刚度和接触几何。外部力与刚度的估计结果与动量观测器及直接力测量进行了对比。

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