Highly dynamic physical interaction for robotics: design and control of an active remote center of compliance

📄 arXiv: 2409.10024v5 📥 PDF

作者: Christian Friedrich, Patrick Frank, Marco Santin, Matthias Haag

分类: cs.RO

发布日期: 2024-09-16 (更新: 2025-03-10)

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💡 一句话要点

提出一种新型主动遥控柔顺中心(ARCC)设计与控制方法，提升机器人高动态物理交互性能。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人交互控制 主动遥控柔顺中心 混合控制 高动态 精密装配

📋 核心要点

  1. 现有机器人交互控制面临动态性与柔性难以兼顾的难题，主动控制动态性高但柔性差，被动控制则相反。
  2. 论文提出一种混合控制方案，设计新型主动遥控柔顺中心(ARCC)，结合主动和被动元件直接控制交互力。
  3. 实验结果表明，ARCC显著提升了交互动态，运动带宽提升高达31倍，并在工业基准测试中表现出色。

📝 摘要（中文）

本研究针对机器人交互控制中低动态或低柔性的局限性，提出了一种混合控制方案，结合了主动和被动交互控制的优点。为此，我们设计了一种新型主动遥控柔顺中心(ARCC)，它基于被动和主动元件，可以直接控制交互力。我们引入了替代模型，用于与纯粹基于机器人的交互方案进行动态比较。在对比验证中，ARCC显著提高了交互动态，使运动带宽提高了高达31倍。我们进一步介绍了我们的控制方法以及在机器人控制器中的集成。最后，我们在不同的工业基准测试中分析了ARCC，如插孔、顶帽导轨装配和轮廓跟踪问题，并将其与最先进的技术进行比较，以突出其动态性和灵活性。所提出的系统特别适用于需要低周期时间和灵敏操作的应用。

🔬 方法详解

问题定义：机器人交互控制通常需要在动态性和柔性之间进行权衡。纯粹的主动控制方法可以实现高动态性能，但缺乏柔顺性，容易对环境或机器人自身造成损害。而被动控制方法虽然具有良好的柔顺性，但动态性能受限，难以应对快速变化的交互任务。因此，如何设计一种既能保证高动态性能，又能提供足够柔顺性的机器人交互控制系统是一个重要的挑战。

核心思路：论文的核心思路是结合主动控制和被动控制的优点，设计一种新型的主动遥控柔顺中心(ARCC)。ARCC包含一个被动元件和一个主动元件，被动元件提供固有的柔顺性，而主动元件则用于补偿被动元件的不足，并实现对交互力的精确控制。通过这种混合设计，ARCC可以在保证柔顺性的同时，实现高动态的交互性能。

技术框架：ARCC系统主要包括以下几个模块：1) 被动柔顺元件：提供基础的柔顺性，吸收冲击力。2) 主动控制元件：通常是力/力矩传感器和执行器，用于精确控制交互力。3) 控制器：根据期望的交互力，控制主动元件的运动，从而实现对交互力的精确控制。4) 机器人控制器：将ARCC集成到机器人控制系统中，实现对机器人末端执行器的控制。整体流程是，机器人末端装载ARCC，通过力/力矩传感器感知环境交互力，控制器根据感知到的力与期望力之间的偏差，驱动主动元件进行调整，最终实现期望的交互行为。

关键创新：论文的关键创新在于ARCC的混合设计，它将主动控制和被动控制有机地结合在一起。与传统的纯主动或纯被动控制方法相比，ARCC可以在保证柔顺性的同时，实现更高的动态性能。此外，论文还提出了针对ARCC的控制方法，以及将其集成到机器人控制系统中的方法。

关键设计：ARCC的关键设计包括：1) 被动元件的刚度选择：需要根据具体的应用场景选择合适的刚度，以保证足够的柔顺性。2) 主动元件的控制策略：需要设计合适的控制策略，以实现对交互力的精确控制。例如，可以使用力/位混合控制、阻抗控制等方法。3) 机器人控制器的集成：需要将ARCC的控制信号集成到机器人控制系统中，实现对机器人末端执行器的协调控制。

📊 实验亮点

实验结果表明，ARCC显著提高了交互动态，运动带宽提升高达31倍。在插孔、顶帽导轨装配和轮廓跟踪等工业基准测试中，ARCC的表现优于现有技术，证明了其在实际应用中的有效性。这些结果表明，ARCC是一种很有前途的机器人交互控制方案。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于需要高动态和灵敏操作的工业领域，如精密装配、打磨抛光、生物医疗等。例如，在精密装配中，ARCC可以帮助机器人实现对微小零件的精确装配，避免因碰撞而造成的损坏。在打磨抛光中，ARCC可以帮助机器人实现对复杂曲面的均匀打磨，提高产品质量。未来，该技术有望进一步拓展到人机协作、远程操作等领域。

📄 摘要（原文）

Robot interaction control is often limited to low dynamics or low flexibility, depending on whether an active or passive approach is chosen. In this work, we introduce a hybrid control scheme that combines the advantages of active and passive interaction control. To accomplish this, we propose the design of a novel Active Remote Center of Compliance (ARCC), which is based on a passive and active element which can be used to directly control the interaction forces. We introduce surrogate models for a dynamic comparison against purely robot-based interaction schemes. In a comparative validation, ARCC drastically improves the interaction dynamics, leading to an increase in the motion bandwidth of up to 31 times. We introduce further our control approach as well as the integration in the robot controller. Finally, we analyze ARCC on different industrial benchmarks like peg-in-hole, top-hat rail assembly and contour following problems and compare it against the state of the art, to highlight the dynamic and flexibility. The proposed system is especially suited if the application requires a low cycle time combined with a sensitive manipulation.