Sensor Observability Analysis for Maximizing Task-Space Observability of Articulated Robots

要約

本論文では、センサー観測可能性解析とその結果として得られるセンサー観測可能性指数と呼ばれる多関節ロボット機構の新しい性能指標を提案する。その目的は、タスク空間における特定の軸を観察するために、ロボットに搭載された分散型指向性または軸ベースのセンサの性能を、関節構成の関数として分析・評価することである。例えば、関節トルクセンサは、直列型ロボットマニピュレータでよく使用され、エンドエフェクタの力を完全に推定することができると仮定されますが、特定の関節構成では、関節トルクセンサの配置方法の結果として、1つまたは複数のタスク空間軸が観測不可能になる場合があります。提案するセンサ観測可能性分析は、センサの順運動学に似た、タスク空間を観測するためのロボット構成の累積的な品質を分析する方法を提供します。その結果得られたメトリクスは、最適化やヌルスペース制御において、センサー観測可能な特異な構成を回避したり、特定の方向におけるセンサー観測可能性を最大化するために使用することができる。センサーの観測性と従来の運動学的ヤコビアンの類似性を、直列ロボットマニピュレーターの関節トルクセンサーの特殊なケースについて説明する。直列マニピュレータのヤコビアンを用いた運動学的解析と比較して、センサ観測性解析は、非関節に取り付けられたセンサの解析という点でより一般的であることが示され、力センシング以外のセンサタイプ（例えば、リンクに取り付けられた近接センサ）に適用できる可能性があることが示された。カスタム3自由度ロボットとバクスターロボットを用いたシミュレーションと実験により、物理的相互作用におけるセンサー観測可能性の有用性と重要性を示す。

要約(オリジナル)

In this paper, we propose a novel performance metric for articulated robotic mechanisms called the sensor observability analysis and the resulting sensor observability index. The goal is to analyse and evaluate the performance of robot-mounted distributed directional or axial-based sensors to observe specific axes in task space as a function of joint configuration. For example, joint torque sensors are often used in serial robot manipulators and assumed to be perfectly capable of estimating end effector forces, but certain joint configurations may cause one or more task-space axes to be unobservable as a result of how the joint torque sensors are aligned. The proposed sensor observability analysis provides a method to analyse the cumulative quality of a robot configuration to observe the task space, akin to forward kinematics for sensors. The resultant metrics can then be used in optimization and in null-space control to avoid sensor observability singular configurations or to maximize sensor observability in particular directions. Parallels are drawn between sensor observability and the traditional kinematic Jacobian for the particular case of joint torque sensors in serial robot manipulators. Compared to kinematic analysis using the Jacobian in serial manipulators, sensor observability analysis is shown to be more generalizable in terms of analysing non-joint-mounted sensors and can potentially be applied to sensor types other than for force sensing, e.g., link-mounted proximity sensors. Simulations and experiments using a custom 3-DOF robot and the Baxter robot demonstrate the utility and importance of sensor observability in physical interactions.

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