Sub-Millisecond Reflexes for Continuous Physical Human-Robot Interaction

📄 arXiv: 2610.21913v1 📥 PDF

作者: Jon Škerlj, Sami Haddadin

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2026-10-15

备注: Submitted to IEEE, source code available at: https://github.com/RoboRef/franka_reflex_engine

💡 一句话要点

提出亚毫秒反应引擎以解决人机交互延迟问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人机交互 反应引擎 ROS 2 控制模式切换 安全性 实时性 机器人技术

📋 核心要点

  1. 现有的ROS 2控制架构依赖于停止切换机制，导致任务执行中的显著延迟和中断。
  2. 本文提出了一种亚毫秒反应引擎，能够在不同控制模式之间进行快速切换，确保任务的连续执行。
  3. 实验结果显示，切换延迟低于0.1毫秒，执行时间减少3.5%，并显著降低了轨迹抖动。

📝 摘要（中文）

连续的物理人机交互要求机器人能够快速适应控制行为，而不打断任务执行。然而，现有的ROS 2控制架构依赖于停止切换机制，导致显著的延迟并中断执行。本文提出了一种开源的亚毫秒反应引擎，基于增强的ROS 2兼容多模式控制器，实现了控制模式之间的确定性切换，并集成了反应行为以减轻接触危险和运动学限制违规。实验表明，该框架在Franka Robotics机械臂上的切换延迟低于0.1毫秒，比传统的ros2_control快了四个数量级，同时在安全关键事件中保持连续操作。在多阶段操作任务中，所提框架将执行时间减少了3.5%，并将峰值轨迹抖动降低了三倍以上。通过消除运行时中间件开销，控制器切换实现为无锁指针操作，使得在开源机器人框架中实现反应级响应。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决现有ROS 2控制架构在物理人机交互中因停止切换机制导致的延迟和中断问题。这种延迟在安全关键的应用中尤为显著，影响了机器人的实时响应能力。

核心思路：论文提出的亚毫秒反应引擎通过增强的多模式控制器实现了控制模式之间的快速切换，集成了反应行为以应对接触危险和运动学限制。这种设计旨在消除传统方法中的延迟，确保机器人在执行任务时的连续性和安全性。

技术框架：整体架构包括一个多模式控制器和反应引擎，控制器负责不同控制模式的管理，而反应引擎则实时处理接触和限制情况。切换机制采用无锁指针操作，确保高效的控制模式切换。

关键创新：最重要的技术创新在于实现了亚毫秒级的控制模式切换，显著提升了机器人在动态环境中的反应能力。这一创新使得机器人能够在安全关键事件中保持连续操作，克服了传统方法的局限。

关键设计：在设计中，控制器切换采用无锁指针操作，消除了运行时中间件的开销。此外，反应行为的集成确保了机器人在接触危险和运动学限制情况下的快速响应。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，所提框架在Franka Robotics机械臂上的切换延迟低于0.1毫秒，比传统ros2_control快了四个数量级。在多阶段操作任务中，执行时间减少了3.5%，峰值轨迹抖动降低了三倍以上，展现了显著的性能提升。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括工业自动化、医疗机器人和服务机器人等需要高实时性和安全性的场景。通过提升机器人在动态环境中的反应能力，能够有效减少事故风险，提高人机协作的效率和安全性，具有重要的实际价值和未来影响。

📄 摘要（原文）

Continuous physical human-robot interaction requires robots to rapidly adapt their control behaviour without interrupting task execution. However, existing ROS 2 control architectures rely on stop-to-switch mechanisms that introduce substantial delays and interrupt execution. We present an open-source, sub-millisecond reflex engine based on an enhanced ROS 2-compatible multimode controller that enables deterministic switching between control modalities and integrates reflex behaviours for mitigating contact hazards and kinematic limit violations. Experiments on a Franka Robotics manipulator demonstrate switching delays below 0.1 ms, more than four orders of magnitude faster than conventional ros2_control, while maintaining continuous operation during safety-critical events. In a multi-stage manipulation task, the proposed framework reduced execution time by 3.5% and peak trajectory jerk by more than threefold. By eliminating runtime middleware overhead, controller transitions are implemented as lock-free pointer operations, enabling reflex-level responsiveness within an open-source robotics framework.