Online Inertia Parameter Estimation for Unknown Objects Grasped by a Manipulator Towards Space Applications
作者: Akiyoshi Uchida, Antonine Richard, Kentaro Uno, Miguel Olivares-Mendez, Kazuya Yoshida
分类: cs.RO
发布日期: 2025-12-26
备注: Author's version of a manuscript accepted at the International Conference on Space Robotics 2025 (iSpaRo 2025). (c) IEEE
💡 一句话要点
针对空间机器人，提出基于动量守恒的在线惯性参数估计方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 空间机器人 惯性参数估计 在线辨识 动量守恒 浮动基座
📋 核心要点
- 空间机器人操作中，精确掌握抓取物体的惯性参数是实现精确动力学控制的关键，但现有方法难以适应浮动基座带来的复杂性。
- 本研究将动量守恒原理融入在线辨识算法，使其适用于浮动基座机器人，从而能够在操作过程中实时估计未知物体的惯性参数。
- 通过数值仿真验证了该方法的有效性，结果表明该方法能够准确辨识未知物体的惯性参数，为空间操作任务提供保障。
📝 摘要（中文）
本文研究了在机械臂抓取未知物体时，对其惯性参数进行估计的问题，这对于动力学感知的操作至关重要，尤其是在具有自由漂浮基座的空间机器人中。我们应用并扩展了一种现有的在线辨识方法，通过结合动量守恒定律，使其能够应用于浮动基座机器人。通过数值仿真验证了所提出的方法，并将估计的参数与真实值进行了比较。结果表明，该方法在各种场景下都能实现准确的辨识，突出了其在在轨服务和其他空间任务中的适用性。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决浮动基座机器人抓取未知物体时，如何在线估计该物体的惯性参数的问题。现有方法通常依赖于固定基座的假设，无法直接应用于浮动基座机器人，因为浮动基座的存在使得系统的动力学模型更加复杂，需要考虑动量守恒的影响。
核心思路：论文的核心思路是将动量守恒定律融入到在线惯性参数辨识算法中。通过利用动量守恒关系，可以建立额外的约束方程，从而提高参数估计的准确性和鲁棒性。这种方法允许在机器人操作过程中实时更新惯性参数的估计值，而无需预先知道物体的任何信息。
技术框架：该方法主要包含以下几个阶段：1) 机器人运动数据的采集，包括关节角度、角速度等；2) 基于机器人动力学模型的参数化；3) 结合动量守恒定律建立约束方程；4) 使用在线优化算法（如递归最小二乘法）估计惯性参数。整体流程是在机器人执行抓取和操作任务的同时，不断更新惯性参数的估计值。
关键创新：该方法最重要的创新点在于将动量守恒定律显式地引入到在线惯性参数辨识过程中。与传统的仅依赖于机器人动力学模型的方法相比，该方法能够更好地处理浮动基座带来的不确定性，从而提高参数估计的精度和鲁棒性。
关键设计：论文中关键的设计包括：1) 动量守恒方程的具体形式，需要根据机器人的具体结构进行推导；2) 在线优化算法的选择，需要考虑计算效率和收敛速度；3) 针对空间环境的特殊性，可能需要考虑零重力环境下的动力学模型简化。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过数值仿真验证了所提出方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够准确地估计未知物体的惯性参数，并且在存在噪声和不确定性的情况下仍然具有较好的鲁棒性。通过与真实值的对比，验证了该方法在空间机器人应用中的可行性。
🎯 应用场景
该研究成果可广泛应用于空间机器人领域，例如在轨服务、卫星维修、空间碎片清理等任务中。通过准确估计抓取物体的惯性参数，可以提高机器人操作的精度和效率，降低任务失败的风险。此外，该方法还可以应用于其他需要在线辨识物体参数的机器人应用场景，例如自动化装配、物料搬运等。
📄 摘要（原文）
Knowing the inertia parameters of a grasped object is crucial for dynamics-aware manipulation, especially in space robotics with free-floating bases. This work addresses the problem of estimating the inertia parameters of an unknown target object during manipulation. We apply and extend an existing online identification method by incorporating momentum conservation, enabling its use for the floating-base robots. The proposed method is validated through numerical simulations, and the estimated parameters are compared with ground-truth values. Results demonstrate accurate identification in the scenarios, highlighting the method's applicability to on-orbit servicing and other space missions.