Zero Wrench Control via Wrench Disturbance Observer for Learning-free Peg-in-hole Assembly

📄 arXiv: 2601.04881v1 📥 PDF

作者: Kiyoung Choi, Juwon Jeong, Sehoon Oh

分类: cs.RO

发布日期: 2026-01-08

💡 一句话要点

提出基于动态力/力矩扰动观测器的免学习插孔装配零力控制方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 零力控制 力/力矩扰动观测器 动态系统 接触式操作 插孔装配

📋 核心要点

  1. 传统力/力矩扰动观测器难以有效区分动态惯性力和外部接触力，导致零力控制在动态环境中表现不佳。
  2. 该论文提出动态力/力矩扰动观测器（DW-DOB），通过嵌入任务空间惯性模型，精确分离动态反作用力与外部力/力矩。
  3. 实验表明，DW-DOB 在工业公差插孔装配中实现了更深、更柔顺的插入，并显著降低了残余力/力矩。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种动态力/力矩扰动观测器（DW-DOB），旨在实现接触丰富的操作中高度灵敏的零力/力矩控制。通过将任务空间惯性嵌入到观测器的标称模型中，DW-DOB 将固有的动态反作用力与真实的外部力/力矩干净地分离。这保留了对小力/力矩的敏感性，同时确保了对接触力/力矩的鲁棒调节。基于被动性的分析进一步表明，DW-DOB 保证了动态条件下的稳定交互，解决了传统观测器无法补偿惯性效应的缺点。在工业公差（H7/h6）下的插孔实验验证了该方法，产生了更深、更柔顺的插入，具有最小的残余力/力矩，并且优于传统的力/力矩扰动观测器和 PD 基线。这些结果突出了 DW-DOB 作为一种实用的免学习解决方案，用于接触丰富的任务中的高精度零力/力矩控制。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决接触式操作中，尤其是在动态环境下，机器人难以实现精确的零力/力矩控制的问题。现有的力/力矩扰动观测器（DOB）在动态环境中表现不佳，因为它们无法有效区分由机器人自身运动产生的惯性力和外部接触力，导致控制精度下降和稳定性问题。

核心思路：核心思路是将任务空间惯性信息融入到扰动观测器的标称模型中。通过精确建模机器人自身的动态特性，可以更准确地估计和补偿由运动产生的惯性力，从而将真实的外部接触力/力矩与内部动态反作用力干净地分离。这样，观测器就能更灵敏地检测到微小的外部力/力矩，并进行精确的零力/力矩控制。

技术框架：整体框架包括以下几个主要部分：1) 机器人动力学模型；2) 动态力/力矩扰动观测器（DW-DOB），包含任务空间惯性模型；3) 力/力矩控制回路，利用DW-DOB估计的外部力/力矩进行反馈控制。流程上，首先利用机器人动力学模型预测惯性力，然后通过DW-DOB估计实际的外部力/力矩，最后将估计值用于力/力矩控制，实现零力/力矩控制目标。

关键创新：最关键的创新在于将任务空间惯性嵌入到扰动观测器的标称模型中。与传统的扰动观测器相比，DW-DOB 能够更准确地估计和补偿由机器人自身运动产生的惯性力，从而更精确地估计外部力/力矩。这种方法无需额外的学习过程，即可实现高精度的零力/力矩控制。

关键设计：DW-DOB 的关键设计在于其标称模型，该模型包含了任务空间惯性矩阵。通过精确建模机器人和环境的惯性特性，可以更准确地预测和补偿惯性力。此外，论文还采用了基于被动性的分析方法，证明了 DW-DOB 在动态条件下的稳定性。具体的参数设置和滤波器设计需要根据具体的机器人和任务进行调整，以获得最佳的性能。

📊 实验亮点

实验结果表明，在工业公差（H7/h6）的插孔装配任务中，DW-DOB 实现了更深、更柔顺的插入，并显著降低了残余力/力矩。与传统的力/力矩扰动观测器和 PD 控制器相比，DW-DOB 在插入深度和残余力/力矩方面均取得了显著的提升，验证了其在动态接触任务中的优越性能。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于需要高精度力/力矩控制的接触式操作任务中，例如精密装配、抛光打磨、医疗手术机器人等。通过实现精确的零力/力矩控制，可以提高装配质量、降低零件损伤风险、提升手术精度，具有重要的实际应用价值和潜在的经济效益。未来，该方法可以进一步扩展到更复杂的动态环境和非结构化环境中。

📄 摘要（原文）

This paper proposes a Dynamic Wrench Disturbance Observer (DW-DOB) designed to achieve highly sensitive zero-wrench control in contact-rich manipulation. By embedding task-space inertia into the observer nominal model, DW-DOB cleanly separates intrinsic dynamic reactions from true external wrenches. This preserves sensitivity to small forces and moments while ensuring robust regulation of contact wrenches. A passivity-based analysis further demonstrates that DW-DOB guarantees stable interactions under dynamic conditions, addressing the shortcomings of conventional observers that fail to compensate for inertial effects. Peg-in-hole experiments at industrial tolerances (H7/h6) validate the approach, yielding deeper and more compliant insertions with minimal residual wrenches and outperforming a conventional wrench disturbance observer and a PD baseline. These results highlight DW-DOB as a practical learning-free solution for high-precision zero-wrench control in contact-rich tasks.