Leveraging Port-Hamiltonian Theory for Impedance Control Benchmarking

📄 arXiv: 2512.06423v1 📥 PDF

作者: Leonardo F. Dos Santos, Elisa G. Vergamini, Cícero Zanette, Lucca Maitan, Thiago Boaventura

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-12-06

备注: This is the author's version of the paper accepted for publication in the 2025 International Conference on Advanced Robotics (ICAR). The final version will be available at IEEE Xplore

💡 一句话要点

提出基于Port-Hamiltonian理论的阻抗控制基准测试方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 阻抗控制 Port-Hamiltonian系统 基准测试 机器人控制 无源性 动态解耦 仿真验证

📋 核心要点

  1. 现有阻抗控制缺乏统一的评估标准，难以客观比较不同控制器的性能和安全性。
  2. 利用Port-Hamiltonian理论建立阻抗模型，推导出可微的无源性条件和阻抗保真度指标。
  3. 在Gazebo仿真中验证了所提指标的有效性，为阻抗控制器的标准化评估提供了工具。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于Port-Hamiltonian（PH）理论的阻抗控制基准测试方法。针对笛卡尔空间中的质量-弹簧-阻尼器阻抗，引入了一个因果一致的PH模型。基于该模型，推导出一个可微的、与力/力矩传感无关的、n自由度（n-DoF）的无源性条件，该条件对时变参考有效。此外，还定义了一个阻抗保真度指标，该指标从自由运动中的阶跃响应功率捕获动态解耦特性。所提出的指标在Gazebo仿真中，使用一个六自由度机械臂和一个四足机器人腿进行了验证。结果表明，PH框架适用于标准化阻抗控制基准测试。

🔬 方法详解

问题定义：现有的阻抗控制方法缺乏统一的、标准化的评估基准。不同方法之间的性能比较困难，且难以保证控制系统的安全性，尤其是在与环境交互时。缺乏力/力矩传感器依赖性较小的评估方法，限制了其在实际机器人系统中的应用。

核心思路：本文的核心思路是利用Port-Hamiltonian (PH) 理论来建模阻抗控制系统，并基于该模型推导出可用于评估阻抗控制器性能的指标。PH框架能够保证系统的能量守恒和无源性，从而确保控制系统的稳定性。通过分析系统的能量流动，可以设计出与力/力矩传感器无关的评估指标。

技术框架：该方法主要包含以下几个阶段：1) 建立笛卡尔空间中质量-弹簧-阻尼器阻抗的PH模型。2) 基于该模型，推导出n自由度系统的无源性条件，该条件对时变参考有效。3) 定义阻抗保真度指标，用于评估系统动态解耦的程度。4) 在Gazebo仿真环境中，使用六自由度机械臂和四足机器人腿验证所提出的指标。

关键创新：该方法最重要的创新点在于利用PH理论建立阻抗控制系统的模型，并基于该模型推导出可微的、与力/力矩传感无关的无源性条件和阻抗保真度指标。与传统的评估方法相比，该方法更加系统化，并且能够保证控制系统的安全性。此外，该方法不依赖于力/力矩传感器，因此更适用于实际机器人系统。

关键设计：在建立PH模型时，需要选择合适的能量函数和互联矩阵。在推导无源性条件时，需要利用PH系统的性质，例如能量守恒和耗散。在定义阻抗保真度指标时，需要选择合适的阶跃响应功率作为评估标准。这些参数的选择会影响评估结果的准确性和可靠性。

📊 实验亮点

通过Gazebo仿真，验证了所提出的PH-based指标的有效性。结果表明，该指标能够准确地评估不同阻抗控制器的性能，并且能够捕获系统的动态解耦特性。该方法为标准化阻抗控制基准测试提供了一种新的思路和工具，有助于推动阻抗控制技术的发展。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于机器人阻抗控制器的设计、评估和优化。通过使用该方法，可以更加客观地比较不同阻抗控制器的性能，并选择最适合特定任务的控制器。此外，该方法还可以用于开发更加安全可靠的机器人系统，尤其是在人机协作等场景中。未来，该方法可以扩展到更复杂的机器人系统和控制策略中。

📄 摘要（原文）

This work proposes PH-based metrics for benchmarking impedance control. A causality-consistent PH model is introduced for mass-spring-damper impedance in Cartesian space. Based on this model, a differentiable, force-torque sensing-independent, n-DoF passivity condition is derived, valid for time-varying references. An impedance fidelity metric is also defined from step-response power in free motion, capturing dynamic decoupling. The proposed metrics are validated in Gazebo simulations with a six-DoF manipulator and a quadruped leg. Results demonstrate the suitability of the PH framework for standardized impedance control benchmarking.