Contact Sensing via Joint Torque Sensors and a Force/Torque Sensor for Legged Robots

📄 arXiv: 2510.10843v1 📥 PDF

作者: Jared Grinberg, Yanran Ding

分类: cs.RO

发布日期: 2025-10-12

备注: Proc. IEEE 21st International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Los Angeles, CA, USA, Aug. 17-21, 2025, pp. 1-7, doi:10.1109/CASE58245.2025.11164031

期刊: Proc. IEEE 21st International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Los Angeles, CA, USA, Aug. 17-21, 2025, pp. 1-7

DOI: 10.1109/CASE58245.2025.11164031

💡 一句话要点

提出基于力矩传感器融合的腿式机器人接触感知方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 腿式机器人 接触感知 力矩传感器 动量观测器 力/力矩传感器

📋 核心要点

  1. 传统接触感知依赖复杂摩擦模型或电机电流估计，精度受限且成本较高。
  2. 利用分布式关节力矩传感器和髋部力/力矩传感器，构建广义动量观测器框架。
  3. 实验验证了该方法在接触力/位置估计方面的准确性，并实现了低成本高精度的接触感知。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种利用分布式关节力矩传感器和单个髋部安装的力/力矩（FT）传感器，通过广义动量观测器框架来检测和定位机器人腿部接触的方法。我们设计了一种低成本的基于应变片的关节力矩传感器，可以安装在每个关节上，以提供直接的力矩测量，从而无需复杂的摩擦模型，并提供比基于电机电流的估计更准确的力矩读数。在基于浮动基座的2自由度机器人腿上的仿真研究验证了所提出的框架能够准确地恢复大腿和小腿连杆上的接触力和位置。通过校准程序，我们的力矩传感器实现了相对于真实测量值平均96.4%的精度。基于该力矩传感器，我们在一个2自由度机械臂上进行了硬件实验，结果表明接触定位精度达到亚厘米级别，力误差低于0.2 N。

🔬 方法详解

问题定义：腿式机器人的接触感知是运动控制和环境交互的关键。现有方法主要依赖电机电流估计或复杂的摩擦模型，这些方法精度有限，且对模型准确性要求高。此外，传统的力/力矩传感器成本较高，难以在每个关节上部署，限制了接触信息的获取。

核心思路：本文的核心思路是利用低成本的分布式关节力矩传感器，结合髋部安装的力/力矩传感器，通过广义动量观测器框架，实现对腿部接触力和位置的准确估计。通过直接测量关节力矩，避免了对复杂摩擦模型的依赖，提高了接触感知的精度和鲁棒性。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个模块：1) 低成本关节力矩传感器的设计与校准；2) 基于广义动量观测器的接触力估计器；3) 接触位置的定位算法。首先，通过应变片测量关节的形变，从而获得关节力矩。然后，将关节力矩和髋部力/力矩传感器的测量值输入到广义动量观测器中，估计外部接触力。最后，基于估计的接触力和力矩，定位接触点的位置。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于：1) 提出了低成本、高精度的关节力矩传感器设计，使其能够部署在每个关节上，获取更丰富的接触信息；2) 将分布式关节力矩传感器和髋部力/力矩传感器融合，利用广义动量观测器框架，实现了更准确的接触力估计和定位。与现有方法相比，该方法无需复杂的摩擦模型，且能够提供更精确的接触信息。

关键设计：关节力矩传感器采用基于应变片的设计，通过惠斯通电桥测量关节的形变。为了提高精度，需要对传感器进行校准，建立力矩与应变之间的映射关系。广义动量观测器的设计需要考虑机器人的动力学模型，并选择合适的观测器增益。接触位置的定位算法可以基于力/力矩平衡方程，通过优化算法求解接触点的位置。

📊 实验亮点

论文通过仿真和硬件实验验证了所提出方法的有效性。仿真结果表明，该框架能够准确地恢复大腿和小腿连杆上的接触力和位置。硬件实验在一个2自由度机械臂上进行，结果表明接触定位精度达到亚厘米级别，力误差低于0.2 N。此外，所设计的力矩传感器实现了相对于真实测量值平均96.4%的精度。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于腿式机器人的运动控制、步态规划、地形适应和人机交互等领域。例如，可以利用精确的接触感知信息，使机器人能够更好地适应复杂地形，实现更稳定的行走。此外，该方法还可以用于机器人辅助康复，通过感知患者与机器人之间的交互力，提供更安全有效的康复训练。

📄 摘要（原文）

This paper presents a method for detecting and localizing contact along robot legs using distributed joint torque sensors and a single hip-mounted force-torque (FT) sensor using a generalized momentum-based observer framework. We designed a low-cost strain-gauge-based joint torque sensor that can be installed on every joint to provide direct torque measurements, eliminating the need for complex friction models and providing more accurate torque readings than estimation based on motor current. Simulation studies on a floating-based 2-DoF robot leg verified that the proposed framework accurately recovers contact force and location along the thigh and shin links. Through a calibration procedure, our torque sensor achieved an average 96.4% accuracy relative to ground truth measurements. Building upon the torque sensor, we performed hardware experiments on a 2-DoF manipulator, which showed sub-centimeter contact localization accuracy and force errors below 0.2 N.