Surena-V: A Humanoid Robot for Human-Robot Collaboration with Optimization-based Control Architecture

📄 arXiv: 2501.17313v1 📥 PDF

作者: Mohammad Ali Bazrafshani, Aghil Yousefi-Koma, Amin Amani, Behnam Maleki, Shahab Batmani, Arezoo Dehestani Ardakani, Sajedeh Taheri, Parsa Yazdankhah, Mahdi Nozari, Amin Mozayyan, Alireza Naeini, Milad Shafiee, Amirhosein Vedadi

分类: cs.RO

发布日期: 2025-01-28

DOI: 10.1109/Humanoids58906.2024.10769592

💡 一句话要点

Surena-V：基于优化控制架构的人形机器人，用于人机协作

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人形机器人 人机协作 优化控制 触觉传感器 零力矩点 环境适应性 机器人控制

📋 核心要点

  1. 现有的人形机器人难以在复杂环境中实现稳定、灵活的人机协作，尤其是在精确操作和力反馈方面。
  2. Surena-V通过优化控制架构，结合气压触觉传感器和力矩点调整，实现了更精准的环境交互和人机协作。
  3. 实验表明，Surena-V能够控制医用针在软组织中移动，并与人类协作移动杆，验证了其稳定性和协作性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了Surena-V，一款旨在增强人机协作能力的人形机器人。该机器人配备了一系列传感器，包括手部的气压触觉传感器，以实现精确的环境交互。通过机器人控制医用针在软组织中移动的实验，展示了其能力。Surena-V的操作框架强调稳定性和协作性，采用了多种基于优化的控制策略，例如通过上身运动和步进来调整零力矩点（ZMP）。值得注意的是，该机器人通过检测和解释外部作用力在其作用点的影响来改善与环境的交互，与基于外部力控制整体平衡的方法相比，能够实现更灵活的响应。通过机器人与人类协作移动杆的实验，证实了该架构的有效性。这项工作通过提出一个全面的系统设计和控制架构，专注于人机协作和环境适应性，为人形机器人领域做出了贡献。

🔬 方法详解

问题定义：现有的人形机器人在人机协作中，难以精确感知环境作用力，并做出快速、稳定的响应。传统的平衡控制方法通常依赖于整体的外部力感知，难以应对局部、细微的力变化，导致协作过程中的不稳定性或不协调。

核心思路：Surena-V的核心思路是通过在机器人手部集成气压触觉传感器，直接感知环境作用力，并结合基于优化的控制策略，调整机器人的运动姿态和平衡状态。这种方法能够更快速、更精确地响应外部力，提高人机协作的稳定性和灵活性。

技术框架：Surena-V的控制架构主要包括以下几个模块：1) 传感器模块：包括气压触觉传感器，用于感知环境作用力；2) 力/力矩估计模块：根据传感器数据估计作用力的大小和方向；3) 零力矩点（ZMP）调整模块：通过上身运动和步进来调整ZMP，保持机器人平衡；4) 运动规划模块：根据任务需求和环境信息，生成机器人的运动轨迹。

关键创新：Surena-V的关键创新在于其直接感知环境作用力并进行局部响应的策略。与传统的基于整体力感知的平衡控制方法相比，这种方法能够更快速、更精确地响应外部力，提高人机协作的稳定性和灵活性。此外，结合上身运动和步进的ZMP调整策略，进一步增强了机器人的平衡能力。

关键设计：气压触觉传感器的选择和布局是关键设计之一，需要保证能够灵敏地感知环境作用力，并提供准确的力/力矩估计。ZMP调整模块的设计需要考虑上身运动和步进的协调性，避免产生过大的惯性力。具体的参数设置和优化方法在论文中未详细描述，属于未知信息。

📊 实验亮点

论文通过实验验证了Surena-V在人机协作方面的有效性。实验结果表明，Surena-V能够控制医用针在软组织中移动，展示了其精确操作能力。此外，Surena-V还能够与人类协作移动杆，验证了其稳定性和协作性。具体的性能数据和提升幅度在摘要中未提及，属于未知信息。

🎯 应用场景

Surena-V的研究成果可应用于医疗康复、工业制造、家庭服务等领域。在医疗康复领域，机器人可以辅助医生进行手术操作，提高手术精度和安全性。在工业制造领域，机器人可以与工人协同完成装配、搬运等任务，提高生产效率和质量。在家庭服务领域，机器人可以帮助老人或残疾人完成日常生活，提高生活质量。

📄 摘要（原文）

This paper presents Surena-V, a humanoid robot designed to enhance human-robot collaboration capabilities. The robot features a range of sensors, including barometric tactile sensors in its hands, to facilitate precise environmental interaction. This is demonstrated through an experiment showcasing the robot's ability to control a medical needle's movement through soft material. Surena-V's operational framework emphasizes stability and collaboration, employing various optimization-based control strategies such as Zero Moment Point (ZMP) modification through upper body movement and stepping. Notably, the robot's interaction with the environment is improved by detecting and interpreting external forces at their point of effect, allowing for more agile responses compared to methods that control overall balance based on external forces. The efficacy of this architecture is substantiated through an experiment illustrating the robot's collaboration with a human in moving a bar. This work contributes to the field of humanoid robotics by presenting a comprehensive system design and control architecture focused on human-robot collaboration and environmental adaptability.