Passive Variable Impedance For Shared Control

📄 arXiv: 2604.20557v1 📥 PDF

作者: Maximilian Mühlbauer, Nepomuk Werner, Ribin Balachandran, Thomas Hulin, João Silvério, Freek Stulp, Alin Albu-Schäffer

分类: cs.RO

发布日期: 2026-04-22

备注: submitted for publication at the IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L)

💡 一句话要点

提出一种被动可变阻抗共享控制方法，用于稳定机器人操作臂的阻抗控制。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 共享控制 阻抗控制 可变阻抗 无源性 机器人控制

📋 核心要点

  1. 共享控制中，传统阻抗控制的刚度增益固定，难以适应复杂任务中目标重要性的动态变化。
  2. 论文提出一种被动可变阻抗方法，将可变刚度阻抗控制和控制器仲裁统一到框架中，解决无源性违例问题。
  3. 通过仿真和真实机器人实验验证了该方法的有效性，展示了其在不同共享控制场景下的灵活性。

📝 摘要（中文）

本文研究了共享控制中机器人操作臂的阻抗控制问题，该方法通常使用阻抗控制来跟踪目标姿态。此类控制器的引导行为由刚度增益决定，刚度增益可以随时间变化以实现自适应引导。当同时跟踪具有不同重要性的多个目标姿态时，相应的输出力需要通过随时间变化的权重进行仲裁。本文将可变刚度阻抗控制的稳定性和通过缩放相加其输出力矩的不同控制器的仲裁，重新构建为一个整体框架。我们识别了闭环系统中的无源性违例，并提供了使系统无源化的方法。由此产生的方法可用于稳定标准阻抗控制器，从而可以开发新颖而灵活的共享控制方法。我们不限制刚度矩阵或仲裁因子的设计；两者都可以是矩阵值，包括非对角线元素，并且可以随时间任意变化。所提出的方法在仿真以及不同系统上的真实机器人实验中得到了验证，证明了它们的有效性，并展示了可以根据共享控制方法的要求利用的不同行为。

🔬 方法详解

问题定义：在共享控制中，如何稳定具有时变刚度增益的阻抗控制器，并有效地仲裁多个目标姿态的输出力矩，同时保证系统的无源性？现有方法通常采用固定的刚度增益，无法适应动态变化的任务需求，并且在多个控制器仲裁时容易出现无源性违例，导致系统不稳定。

核心思路：论文的核心思路是将可变刚度阻抗控制和多个控制器的输出力矩仲裁问题统一到一个框架中，通过分析闭环系统的无源性，设计相应的被动化方法，从而保证系统的稳定性。关键在于识别并补偿系统中的无源性违例。

技术框架：该方法首先建立包含可变刚度阻抗控制和力矩仲裁的闭环系统模型。然后，分析该系统的无源性，识别出可能导致无源性违例的环节。接着，设计被动化补偿器，将其添加到系统中，以保证整体系统的无源性。最后，通过仿真和实验验证该方法的有效性。

关键创新：该方法最重要的创新点在于将可变刚度阻抗控制和力矩仲裁统一到一个框架中进行分析和设计，并提出了一种通用的被动化方法，可以处理任意时变的刚度矩阵和仲裁因子。与现有方法相比，该方法更加灵活和通用，能够适应更复杂的共享控制场景。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 建立包含可变刚度阻抗控制和力矩仲裁的闭环系统模型；2) 推导系统无源性的条件，识别无源性违例；3) 设计被动化补偿器，例如基于速度的阻尼注入，以保证系统的无源性。刚度矩阵和仲裁因子可以根据具体任务需求进行设计，没有特定的约束。

📊 实验亮点

论文通过仿真和真实机器人实验验证了所提出方法的有效性。实验结果表明，该方法能够稳定具有时变刚度增益的阻抗控制器，并有效地仲裁多个目标姿态的输出力矩，同时保证系统的无源性。在不同的共享控制场景下，该方法均表现出良好的性能。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于人机协作、远程操作、医疗康复等领域。例如，在人机协作中，机器人可以根据操作者的意图动态调整阻抗，提供更自然、安全的交互体验。在医疗康复中，机器人可以根据患者的康复进度调整辅助力度，实现个性化的康复训练。

📄 摘要（原文）

Shared Control methods often use impedance control to track target poses in a robotic manipulator. The guidance behavior of such controllers is shaped by the used stiffness gains, which can be varying over time to achieve an adaptive guiding. When multiple target poses are tracked at the same time with varying importance, the corresponding output wrenches have to be arbitrated with weightings changing over time. In this work, we study the stabilization of both variable stiffness in impedance control as well as the arbitration of different controllers through a scaled addition of their output wrenches, reformulating both into a holistic framework. We identify passivity violations in the closed loop system and provide methods to passivate the system. The resulting approach can be used to stabilize standard impedance controllers, allowing for the development of novel and flexible shared control methods. We do not constrain the design of stiffness matrices or arbitration factors; both can be matrix-valued including off-diagonal elements and change arbitrarily over time. The proposed methods are furthermore validated in simulation as well as in real robot experiments on different systems, proving their effectiveness and showcasing different behaviors which can be utilized depending on the requirements of the shared control approach.