Fast Contact Detection via Fusion of Joint and Inertial Sensors for Parallel Robots in Human-Robot Collaboration

要約

安全な人間とロボットのコラボレーションには、迅速な接触検出が重要です。
固有受容情報に基づくオブザーバーは、接触検出に使用できますが、1次エラーダイナミクスがあり、その結果、遅延が生じます。
加速度計とジャイロスコープで構成される慣性測定単位（IMU）に基づくセンサー融合は、遅延を減らすのに有利です。
加速推定により、外力の直接計算が可能になります。
シリアルロボットの場合、関節座標は最小限の座標であるため、ダイナミクスモデリングには複数の加速度計とジャイロスコープの設置が必要です。
あるいは、Parallel Robots（PRS）は、PRの最小座標を既に提示しているエンドエフェクタープラットフォームで1つのIMUのみを使用する可能性を提供します。
この作業では、エンコーダを使用した接触検出のためのセンサー融合方法と、PRの低コストの消費者グレードIMUのみを導入します。
エンド効果の加速は、拡張されたカルマンフィルターによって推定され、ダイナミクスに組み込まれて外力を計算します。
平面PRを使用した実際の実験では、このアプローチがモメンタム観測者と比較して検出期間を最大50％削減し、3〜39ms以内の衝突とクランプの検出を可能にすることを実証します。

要約(オリジナル)

Fast contact detection is crucial for safe human-robot collaboration. Observers based on proprioceptive information can be used for contact detection but have first-order error dynamics, which results in delays. Sensor fusion based on inertial measurement units (IMUs) consisting of accelerometers and gyroscopes is advantageous for reducing delays. The acceleration estimation enables the direct calculation of external forces. For serial robots, the installation of multiple accelerometers and gyroscopes is required for dynamics modeling since the joint coordinates are the minimal coordinates. Alternatively, parallel robots (PRs) offer the potential to use only one IMU on the end-effector platform, which already presents the minimal coordinates of the PR. This work introduces a sensor-fusion method for contact detection using encoders and only one low-cost, consumer-grade IMU for a PR. The end-effector accelerations are estimated by an extended Kalman filter and incorporated into the dynamics to calculate external forces. In real-world experiments with a planar PR, we demonstrate that this approach reduces the detection duration by up to 50% compared to a momentum observer and enables the collision and clamping detection within 3-39ms.

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