Desired Impedance Allocation for Robotic Systems

要約

仮想分解制御（Virtual Decomposition Control: VDC）は、特に接触が多いタスクにおいて、実世界のロボット制御のための強力なモジュラーフレームワークとして登場した。広く使われているにもかかわらず、VDCは基本的に1次のインピーダンス割り当てに限定されており、2次の動作割り当ての数学的複雑さのために、本質的に望ましい慣性が無視されています。しかし、慣性は、接触フェーズの動的応答を形成するためだけでなく、軌道追跡における滑らかな加速と減速を可能にするためにも非常に重要です。高忠実度の相互作用制御に対する要求の高まりに動機づけられ、本研究では、VDCフレームワークにおいて初めて、2次インピーダンス挙動を実現する手法を導入する。要求されるエンドエフェクタ速度を再定義し、要求される加速度と擬似インピーダンス項を導入することで、VDCのモジュール性を維持しながら2次のインピーダンス制御を実現する。厳密な安定性解析により、提案コントローラのロバスト性が確認された。7自由度ハプティック外骨格を用いた実験検証により、1次手法と比較して優れたトラッキング性能と接触性能が実証された。特筆すべきは、慣性を組み込むことで、最大70％硬い環境との安定した相互作用が可能になり、実世界の接触が多いシナリオにおけるアプローチの有効性を強調している。

要約(オリジナル)

Virtual Decomposition Control (VDC) has emerged as a powerful modular framework for real-world robotic control, particularly in contact-rich tasks. Despite its widespread use, VDC has been fundamentally limited to first-order impedance allocation, inherently neglecting the desired inertia due to the mathematical complexity of second-order behavior allocation. However, inertia is crucial, not only for shaping dynamic responses during contact phases, but also for enabling smooth acceleration and deceleration in trajectory tracking. Motivated by the growing demand for high-fidelity interaction control, this work introduces, for the first time in the VDC framework, a method to realize second-order impedance behavior. By redefining the required end-effector velocity and introducing a required acceleration and a pseudo-impedance term, we achieve second-order impedance control while preserving the modularity of VDC. Rigorous stability analysis confirms the robustness of the proposed controller. Experimental validation on a 7-degree-of-freedom haptic exoskeleton demonstrates superior tracking and contact performance compared to first-order methods. Notably, incorporating inertia enables stable interaction with environments up to 70% stiffer, highlighting the effectiveness of the approach in real-world contact-rich scenarios.

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