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:在接触丰富的操作中,机器人动力学与一个具有应用特定动态特性(刚度、惯性)和几何形状(接触法线)的环境相耦合。了解这些环境参数可以改善控制和监测,但通常是未观测到并且可能变化,无论是在线还是在任务实例之间。观察者,例如扩展卡尔曼滤波器,可用于估计这些参数,但这种基于模型的技术可能需要太多的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,我们提出了环境基元:参数化的环境动力学,可以并行连接,并在自动微分框架中表示。这简化了离线基于梯度的优化来拟合模型参数以及用于观察者的耦合动力学的线性化。该方法针对刚度接触模型进行了实现,允许离线拟合接触几何和刚度或通过扩展的卡尔曼滤波器进行在线估计。该方法应用于协作机器人,从电机位置和电流估算外部力量、接触刚度和接触几何。外部力量和刚度的估计结果与动量观测者和直接力量测量进行比较。

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