Guarding Force: Safety-Critical Compliant Control for Robot-Environment Interaction

要約

この研究では、ロボットと未知の環境との物理的相互作用中に相互作用力の制約を厳密に強制するように設計された、セーフティクリティカルに準拠した制御戦略を提案します。
相互作用力制約は、一般化接触モデルと環境の事前情報 (つまり事前の剛性と静止位置) をロボットの運動学に利用することにより、新しい力制約制御バリア関数 (FC-CBF) として解釈されます。
実環境と一般化接触モデルの差は追跡微分器を構築することで近似され、その推定誤差はリアプノフ理論に基づいて定量化されます。
提案されたアプローチは、厳密な相互作用安全仕様を動的制約として解釈し、運動学における望ましい関節角速度を制限することにより、二次計画法を使用して公称準拠コントローラーを修正し、未知の環境における相互作用力制約の順守を保証します。
閉ループシステムの厳密な力の制約と安定性が厳密に分析されます。
UR3e 産業用ロボットを使用したさまざまな環境での実験テストにより、未知の環境で力の制約を達成する際の提案手法の有効性が検証されます。

要約(オリジナル)

In this study, we propose a safety-critical compliant control strategy designed to strictly enforce interaction force constraints during the physical interaction of robots with unknown environments. The interaction force constraint is interpreted as a new force-constrained control barrier function (FC-CBF) by exploiting the generalized contact model and the prior information of the environment, i.e., the prior stiffness and rest position, for robot kinematics. The difference between the real environment and the generalized contact model is approximated by constructing a tracking differentiator, and its estimation error is quantified based on Lyapunov theory. By interpreting strict interaction safety specification as a dynamic constraint, restricting the desired joint angular rates in kinematics, the proposed approach modifies nominal compliant controllers using quadratic programming, ensuring adherence to interaction force constraints in unknown environments. The strict force constraint and the stability of the closed-loop system are rigorously analyzed. Experimental tests using a UR3e industrial robot with different environments verify the effectiveness of the proposed method in achieving the force constraints in unknown environments.

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