مصالحه مهندسی در رباتیک: بده بستان میان کنترل موقعیت و کنترل امپدانس

یک گروه از مهندسان رباتیک معتقدند وظیفه اصلی یک بازوی مکانیکی، وفاداری مطلق به مختصات فضایی است—یعنی رساندن نقطه مرکزی ابزار به یک مختصات دکارتی مشخص با دقت زیر میلی‌متری، صرف نظر از مقاومت خارجی. گروه دیگر اصرار دارند که در محیط‌های بدون ساختار، رباتی که نتواند انعطاف نشان دهد، رباتی است که خرابکاری می‌کند. آن‌ها استدلال می‌کنند که مدیریت رابطه پویا بین نیرو و حرکت، مهم‌تر از رسیدن به یک مختصات دقیق است. این تنش اساسی بین کنترل موقعیت و کنترل امپدانس، دو الگوی اصلی است که نحوه تعامل فیزیکی ماشین‌ها با دنیای اطرافشان را تعیین می‌کند.

ما اغلب ویدئوهای تبلیغاتی ربات‌های انسان‌نما را می‌بینیم که به آرامی یک لیوان آب را تحویل می‌دهند یا میزی را پاک می‌کنند، همراه با ادعاهایی در مورد «لمس شبیه انسان» و هوش مصنوعی پیشرفته. اما در زیر این نمایش‌های صیقلی، قابلیت واقعی به یک مصالحه ریاضی در سطح مفاصل متکی است. ربات واقعاً محیط را به شکلی که یک سیستم عصبی بیولوژیکی حس می‌کند، «احساس» نمی‌کند؛ بلکه در حال اجرای الگوریتمی است که به طور مصنوعی موتورهای آن را نرم می‌کند. درک این سازوکار مستلزم نگاهی فراتر از لایه نرم‌افزاری و ورود به فیزیک عملگرها است.

ربات‌های صنعتی سنتی بر اساس کنترل موقعیت سخت‌گیرانه کار می‌کنند. همانطور که در کتاب‌های درسی آزاد دانشگاه کلمسون در مورد رباتیک آمده است، این سیستم‌ها از حلقه‌های بازخورد با بهره بالا برای به حداقل رساندن خطای ردیابی استفاده می‌کنند و انحرافات را در طول عملیات زیر ۰.۱ میلی‌متر نگه می‌دارند؛ استانداردی که از زمان پذیرش گسترده بازوی یونیمیت در سال ۱۹۶۱، تولید صنعتی را تعریف کرده است. اگر یک بازوی با کنترل موقعیت به مانعی غیرمنتظره برخورد کند، موتورهای آن جریان الکتریکی فزاینده‌ای می‌کشند تا بر مقاومت غلبه کنند. ربات تلاش می‌کند تا به مقصد برنامه‌ریزی شده برسد، تا زمانی که یک محدودیت ایمنی نقض شود، فیوزی بسوزد یا خرابی مکانیکی رخ دهد.[3]

کنترل امپدانس، که توسط نویل هوگان در مقالات مهم سال ۱۹۸۵ خود معرفی شد، این الگو را به طور کامل وارونه می‌کند. به جای فرمان دادن به یک موقعیت سخت در فضا، کنترل‌کننده یک رابطه پویا بین ربات و محیطش تعریف می‌کند و عملاً بازوی مکانیکی را به عنوان یک سیستم جرم-فنر-دمپر قابل تنظیم در نظر می‌گیرد. هنگامی که یک ربات با کنترل امپدانس به سطحی برخورد می‌کند، برای عبور از آن مبارزه نمی‌کند؛ بلکه طبق یک پروفایل سفتی و میرایی برنامه‌ریزی شده، انعطاف نشان می‌دهد. با فدا کردن دقت مطلق موقعیتی، سیستم یک نیروی تماسی ایمن و قابل پیش‌بینی را حفظ می‌کند و به آن اجازه می‌دهد بدون نیاز به قفس‌های ایمنی سنگین، در کنار انسان‌ها کار کند.