Pose-Parameterized Motion Planning and CBF-QP Self-Collision Filtering for a Long-Reach Drilling Boom
作者: Mehdi Heydari Shahna, Tuomo Kivelä, Jouni Mattila
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2026-07-21
💡 一句话要点
提出姿态参数化运动规划与CBF-QP自碰撞过滤以解决长臂钻机问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 长臂钻机 运动规划 自碰撞过滤 控制障碍函数 逆运动学 胶囊模型 自主控制
📋 核心要点
- 长臂钻机在运动规划中面临自碰撞的挑战，现有方法难以有效解决此问题。
- 本文提出将姿态参数化规划与CBF-QP相结合，增强了运动规划的碰撞感知能力。
- 实验结果显示，该方法在多个任务中实现了零IK失败和毫米级的最终位置误差，表现优异。
📝 摘要（中文）
长臂钻机必须在不发生自碰撞的情况下达到连续姿态。为了实现从操作员监督控制向自主控制的转变，本文提出了一种碰撞感知的运动规划与执行方法。针对Sandvik SB60，研究将姿态参数化规划与基于胶囊的控制障碍函数二次规划（CBF-QP）相结合，应用于测量状态的逆运动学（IK）。每个任务中固定的任务特定参数集生成路径点、绕行、时间参考和链式运动，而无需针对特定目标的重新调优。离线绕行规划器使用23个选定的杆段到机体区域的距离筛选候选路径点，在线CBF-QP则利用来自九个原始胶囊模型的14个配置胶囊对约束过滤关节速度。评估考虑了制造商开发的SB60 Simscape多体模型中的两个钻探任务：五目标限制方向巡回和三目标全姿态巡回。该方法在数十万个样本中实现了零IK失败，生成了多个绕行路径点，达到了毫米级的最终位置均值误差，并且没有采样的CBF边际低于报告的阈值。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决长臂钻机在运动规划过程中自碰撞的问题。现有方法在处理复杂运动时，往往无法有效避免自碰撞，导致操作失败或效率低下。
核心思路：论文提出将姿态参数化运动规划与基于胶囊的控制障碍函数二次规划（CBF-QP）相结合，通过这种方式实现了对运动过程中的碰撞感知与避免，提升了自主控制的能力。
技术框架：整体方法分为离线和在线两个阶段。离线阶段通过固定的任务特定参数集生成路径点和绕行方案；在线阶段则利用CBF-QP对关节速度进行过滤，确保运动的安全性。
关键创新：最重要的创新在于将姿态参数化规划与CBF-QP相结合，形成了一种新的碰撞感知运动规划框架。这一方法在处理复杂运动时，能够有效避免自碰撞，提升了运动的安全性和可靠性。
关键设计：在参数设置上，离线绕行规划器使用23个杆段到机体区域的距离进行候选路径点筛选，而在线CBF-QP则配置了14个胶囊对约束，确保了运动过程中的安全性和精确性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该方法在数十万个样本中实现了零IK失败，生成了多个绕行路径点，最终位置均值误差达到了毫米级，且没有采样的CBF边际低于报告的阈值，显示出优越的性能。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括自动化钻探、机器人操作和复杂环境中的自主导航等。通过提高长臂钻机的自主控制能力，能够显著提升其在复杂任务中的效率和安全性，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
Long-reach drilling booms must reach successive poses without self-collision. Moving from operator-supervised control toward autonomy requires collision-aware motion planning and execution. For the Sandvik SB60, this study adapts established methods by integrating pose-parameterized planning with a capsule-based control barrier function quadratic program (CBF-QP) in measured-state inverse kinematics (IK). A fixed task-specific parameter set within each task generates waypoints, detours, timed references, and chained motion without target-specific retuning. The offline detour planner screens candidate waypoints using 23 selected rod-segment-to-body-region distances, whereas the online CBF-QP filters joint velocities using 14 configured capsule-pair constraints from a nine-primitive whole-body capsule model. Evaluation considers two drilling tasks in a manufacturer-developed SB60 Simscape Multibody model: a five-target restricted-orientation tour and a three-target full-pose tour. Across several hundred thousand samples, the method produced zero IK failures, generated several detour waypoints, achieved millimetre-level mean final-position error, and recorded no sampled CBF margins below the reported thresholds.