Dual Arm Steering of Deformable Linear Objects in 2-D and 3-D Environments Using Euler's Elastica Solutions
作者: Aharon Levin, Itay Grinberg, Elon Rimon, Amir Shapiro
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2025-02-11
💡 一句话要点
提出基于Euler弹性解的双臂协作柔性线性物体二维/三维环境操控方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 柔性物体操控 双臂机器人 Euler弹性曲线 稳定性判据 配置空间 避障 机器人控制
📋 核心要点
- 现有方法在复杂环境下难以精确控制柔性线性物体，尤其是在保证稳定性和避免碰撞方面。
- 该方法利用Euler弹性曲线的闭式解，在配置空间中构建约束，保证操纵过程中的安全性。
- 通过双臂机器人实验验证了该方法在二维和三维环境中操控柔性线性物体的有效性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种在稀疏障碍物环境中，使用双臂机器人操控柔性线性物体的方法。该方法通过改变夹持端点的位置和切线来操纵弹性不可伸长的杆。论文描述了平面环境中柔性线性物体形状的闭式解，即Euler弹性曲线。利用这些解，论文构建了避免自相交、保证稳定性和避障的标准。这些标准被表示为柔性物体六维配置空间中的约束，该空间代表了机器人夹持端点的位置和切线。特别地，本文引入了一种新颖的标准，以确保柔性物体在操纵过程中的稳定性。所有安全标准被整合到一个在平面环境中操纵柔性线性物体的方案中，并被提升到一个在三维环境中操纵柔性线性物体的方案中。双臂机器人的实验验证了该方法。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决在存在稀疏障碍物的二维和三维环境中，如何使用双臂机器人安全有效地操控柔性线性物体的问题。现有方法在处理柔性物体的复杂形变和保证操纵过程中的稳定性方面存在不足，尤其是在避障和避免自相交方面。
核心思路：论文的核心思路是利用Euler弹性曲线的闭式解来描述柔性线性物体的形状，并基于这些解构建约束条件，以确保操纵过程中的稳定性、避免自相交和避障。通过在柔性物体的配置空间中施加这些约束，可以规划出安全的操纵轨迹。
技术框架：该方法主要包含以下几个阶段：1) 利用Euler弹性曲线计算柔性线性物体的形状；2) 基于Euler弹性曲线，建立避免自相交、保证稳定性和避障的标准；3) 将这些标准转化为柔性物体六维配置空间中的约束；4) 在配置空间中规划操纵轨迹，控制双臂机器人完成操纵任务。该框架首先在二维环境中实现，然后扩展到三维环境。
关键创新：论文的关键创新在于提出了一种新颖的稳定性判据，用于确保柔性物体在操纵过程中的稳定性。此外，该方法将Euler弹性曲线的闭式解与配置空间约束相结合，为柔性物体的操纵提供了一种新的思路。
关键设计：论文的关键设计包括：1) 使用Euler弹性曲线精确描述柔性物体的形状；2) 设计稳定性判据，考虑了柔性物体的受力情况和形变特性；3) 将安全标准转化为配置空间中的约束，便于轨迹规划；4) 采用双臂协作的方式，提高操纵的灵活性和精度。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过双臂机器人实验验证了该方法在二维和三维环境中操控柔性线性物体的有效性。实验结果表明，该方法能够安全、稳定地操控柔性物体，并成功避开了环境中的障碍物。具体的性能数据和对比基线在论文中进行了详细的描述。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于医疗手术机器人、工业装配机器人等领域，例如，在微创手术中，可以通过控制柔性导管到达目标位置；在工业装配中，可以用于连接柔性线缆。该方法具有重要的实际应用价值和潜在的未来影响。
📄 摘要（原文）
This paper describes a method for steering deformable linear objects using two robot hands in environments populated by sparsely spaced obstacles. The approach involves manipulating an elastic inextensible rod by varying the gripping endpoint positions and tangents. Closed form solutions that describe the flexible linear object shape in planar environments, Euler's elastica, are described. The paper uses these solutions to formulate criteria for non self-intersection, stability and obstacle avoidance. These criteria are formulated as constraints in the flexible object six-dimensional configuration space that represents the robot gripping endpoint positions and tangents. In particular, this paper introduces a novel criterion that ensures the flexible object stability during steering. All safety criteria are integrated into a scheme for steering flexible linear objects in planar environments, which is lifted into a steering scheme in three-dimensional environments populated by sparsely spaced obstacles. Experiments with a dual-arm robot demonstrate the method.