A Minimum-Energy Control Approach for Redundant Mobile Manipulators in Physical Human-Robot Interaction Applications

📄 arXiv: 2603.25259v1 📥 PDF

作者: Davide Tebaldi, Niccolò Paradisi, Fabio Pini, Luigi Biagiotti

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2026-03-26

💡 一句话要点

提出一种最小能量控制方法，用于人机协作中的冗余移动机械臂控制

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 移动机械臂 人机交互 能量优化 冗余控制 动力学建模

📋 核心要点

  1. 移动机械臂在人机物理交互领域的研究迅速发展，但其额外的自由度使得控制方法的设计更具挑战性，需要进行性能优化。
  2. 论文提出一种控制方法，旨在最小化人机交互过程中移动机械臂整体的动能，从而提高系统的效率和安全性。
  3. 实验结果表明，该方法能够有效降低系统动能，并在插孔任务中表现出优于基准方法的性能。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于移动机械臂的控制方法，该机械臂由一个移动底座和一个安装在其顶部的机械臂组成，目标是最小化在人机物理交互应用中整个移动机械臂系统中存储的整体动能。该方法通过一个插孔任务进行了实验测试，结果表明，与基准方法相比，所提出的方法降低了整个机器人系统中存储的整体动能，并提高了系统性能。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决人机物理交互中，冗余自由度移动机械臂的控制问题。现有方法在处理此类系统时，往往难以有效利用冗余自由度来优化能量消耗，导致系统效率低下，甚至可能对人造成潜在危险。

核心思路：论文的核心思路是设计一种基于最小能量的控制策略，通过优化整个移动机械臂系统的运动，从而最小化系统中的整体动能。这种方法旨在利用冗余自由度，在完成任务的同时，降低能量消耗，提高安全性。

技术框架：该控制方法针对由移动底座和机械臂组成的移动机械臂系统。整体框架包括：1) 建立移动机械臂的动力学模型，考虑移动底座和机械臂的耦合运动；2) 设计基于动能最小化的目标函数；3) 利用优化算法求解控制输入，驱动移动机械臂完成任务。

关键创新：该方法最重要的创新在于将整体动能最小化作为控制目标，并将其应用于冗余移动机械臂的人机物理交互场景。与传统的基于力/位姿控制的方法不同，该方法直接优化能量消耗，从而提高系统的效率和安全性。

关键设计：论文的关键设计可能包括：1) 动能目标函数的具体形式，如何将移动底座和机械臂的动能进行有效整合；2) 优化算法的选择，需要考虑计算效率和收敛性；3) 如何处理人机交互过程中的不确定性和扰动，例如通过阻抗控制或力反馈机制。

📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的最小能量控制方法能够有效降低移动机械臂系统在插孔任务中的整体动能。与基准方法相比，该方法在完成相同任务的同时，显著降低了系统的能量消耗，并提高了系统的运动平稳性和控制精度。具体的性能提升数据（例如动能降低百分比、任务完成时间等）未在摘要中明确给出，属于未知信息。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种人机协作场景，例如：辅助装配、医疗康复、物流搬运等。通过降低机器人系统的能量消耗，可以提高工作效率，降低运营成本，并提升人机交互的安全性。未来，该方法有望推广到更复杂的移动机器人系统，实现更高效、更安全的人机协作。

📄 摘要（原文）

Research on mobile manipulation systems that physically interact with humans has expanded rapidly in recent years, opening the way to tasks which could not be performed using fixed-base manipulators. Within this context, developing suitable control methodologies is essential since mobile manipulators introduce additional degrees of freedom, making the design of control approaches more challenging and more prone to performance optimization. This paper proposes a control approach for a mobile manipulator, composed of a mobile base equipped with a robotic arm mounted on the top, with the objective of minimizing the overall kinetic energy stored in the whole-body mobile manipulator in physical human-robot interaction applications. The approach is experimentally tested with reference to a peg-in-hole task, and the results demonstrate that the proposed approach reduces the overall kinetic energy stored in the whole-body robotic system and improves the system performance compared with the benchmark method.