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Compliant Explicit Reference Governor for Contact Friendly Robotic Manipulators

本文介绍了合规显式参考控制器（CERG），这是一种模块化安全层，通过限制接触能量并在自由运动期间保持性能，使机器人机械臂能够在可证明的保障下与环境进行交互。

原作者： Yaashia Gautam, Gilberto Briscoe-Martinez, Adhitya Mohan, Nataliya Nechyporenko, Alessandro Roncone, Marco M. Nicotra

发布于 2026-05-20

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CC BY 4.0

原作者： Yaashia Gautam, Gilberto Briscoe-Martinez, Adhitya Mohan, Nataliya Nechyporenko, Alessandro Roncone, Marco M. Nicotra

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，机械臂就像一个非常强壮、非常快速的工人。过去，为了保障这个工人的安全，工程师们会这样指令它：“永远不要触碰任何东西。如果你靠墙太近，就立刻完全停下。”这就像一位司机看到行人时猛踩刹车，哪怕他们本可以轻轻触碰对方以引导其安全通过。这样做虽然安全，但笨拙且会中断工作。

本文介绍了一种名为“合规显式参考控制器（CERG）”的机械臂“智能管理者”。你可以将 CERG 想象成一位“拥有安全预算的交警”，它站在机器人的大脑（规划器）与肌肉（控制器）之间。

以下是其工作原理，使用简单的类比说明：

1. 两种运行模式

CERG 知道机器人有两种不同的移动方式，并能在这两种模式间无缝切换：

模式 A：“幽灵”模式（自由运动）
当机器人在空旷空间中移动时，CERG 会说：“快跑！自由行动！”它不会束缚机器人。机器人可以按其电机允许的最快速度移动，因为此时尚无碰撞危险。
模式 B：“温和巨人”模式（接触）
当机器人即将触碰某物（如墙壁或白板）时，CERG 会切换规则。它说：“好吧，你可以触碰，但必须轻柔。”它不会让机器人停下，而是给机器人的“能量预算”设定一个上限。

2. 能量预算类比

想象机器人有一个装满“能量美元”的钱包。

接触前：机器人可以随意花费任意数量的美元来快速移动。
接触中：CERG 会检查钱包。它说：“你在这次交互中只能花费5 美元。”如果机器人试图以相当于 50 美元钞票的力量猛撞墙壁，CERG 会立即减缓机器人的速度，使其仅花费那安全的 5 美元。

这确保了如果机器人撞到一个脆弱的叠叠乐塔，它不会将其推倒，因为它根本没有足够的“能量资金”造成破坏。

3. 解决“或”问题

这项工作的难点在于一个逻辑谜题。机器人需要遵循一条规则：

“要么完全不触碰墙壁，要么触碰墙壁，但前提是必须足够轻柔。”

大多数计算机系统难以处理“或”规则。它们通常选择一条路径并坚持到底。CERG 的特殊之处在于它能动态地处理这种选择。它让机器人实时决定：“我会触碰墙壁，但我会保持低能量。”如果机器人试图用力过猛，CERG 就会像减速带一样，将机器人减速到刚好保持在安全能量限制内。

4. 现实世界测试

作者在真实机械臂（Franka Emika Panda）上测试了这位“智能管理者”，完成了两项任务：

擦拭白板：机器人需要来回擦拭板擦。CERG 允许机器人快速移动到白板处，然后在擦拭过程中轻柔地控制压力。
推动叠叠乐塔：这是一项精细的任务。如果推得太用力，塔就会倒塌。
- 旧方法（标准控制器）：要么在机器人能够推动之前就让其停下，要么推得太猛导致塔倒塌。
- CERG：让机器人快速接近，然后轻柔地推动塔，刚好使其移动而不倒塌。

核心结论

CERG 是一个模块化附加组件。你无需重建机器人或重写其“大脑”。你只需在中间安装这位“管理者”。它让机器人不再害怕触碰物体，转而聪明地控制触碰方式，确保它们在安全的同时，既不会缓慢也不会笨拙。

技术摘要：面向接触友好型机器人操作机的合规显式参考调节器

问题陈述
传统机器人运动规划优先考虑碰撞规避以确保安全，往往将环境接触视为阻碍。然而，现代机器人学日益需要“富含接触”的能力，将物理交互视为一种资源。核心挑战在于管理自由运动与接触之间的过渡，同时满足两种不同类型的约束：

硬约束：不可协商的限制，如关节范围、扭矩界限和禁止表面。
软约束：允许接触但必须安全处理的状况。这些约束形成了高度非凸的“或”条件：机器人必须要么完全避免接触，要么在特定的接触安全限制下运行。

现有的基于优化的策略（例如模型预测控制）通常需要重新设计控制律，并涉及接触动力学的复杂时变近似，这对拥有遗留控制器的从业者来说缺乏吸引力。相反，分层方法（如控制障碍函数或基于能量的合规性）往往缺乏严格的约束保证或渐近稳定性。显式参考调节器（ERG）提供了一种分层安全滤波器，可在不改变底层控制器的情况下修改参考信号，但先前的实现将接触视为不利因素，在接触发生时停止运动。本文旨在解决一种框架的需求，该框架允许在接触期间进行安全、连续的操作，而无需修改底层控制器。

方法：合规显式参考调节器（CERG）
作者提出了合规显式参考调节器（CERG），这是一个模块化参考管理系统，置于高层规划器与底层控制器之间。CERG 通过操纵发送给预稳定控制器的参考信号 $v(t)$ ，来执行操作约束并实现自由运动与接触操作之间的平滑过渡。

该方法依赖于三个关键组件：

预稳定层：一个带有重力补偿的标准 PD 控制器将机器人引导至参考构型 $v$ 。系统的总能量（动能 + 虚拟势能）由李雅普诺夫函数 $V(x, v)$ 定义，当 $v$ 恒定时，该函数单调递减。
合规动态安全裕度（DSM）：核心创新在于一个 DSM， $\Delta(x, v)$ $Δ (x, v)$ ，旨在处理接触约束的析取（OR）性质。安全条件表述为：
$s(q(t)) < 0 \quad \lor \quad V(x(t), v(t)) \le E_{\max}$
其中 $s(q) < 0$ $s (q) < 0$ 代表自由运动， $V \le E_{\max}$ $V \leq E_{m a x}$ 代表具有有界能量的安全接触。CERG 构建了一个复合 DSM：
$\Delta(x, v) = \min(\Delta_h, \max(\Delta_s, \Delta_E))$
- $\Delta_h$ ：执行硬约束（关节限制等）。
- $\Delta_s$ ：针对软约束表面 $s(q)$ 的基于轨迹的裕度。
- $\Delta_E$ ：基于能量的裕度，定义为 $\kappa_E(E_{\max} - V(x, v))$ 。
  该结构确保：如果机器人处于自由运动状态，能量约束将被放宽；如果发生接触，系统总能量将严格受限于 $E_{\max}$ 。
软导航场（NF）：与排斥参考的硬约束不同，CERG 采用“软”排斥场 $\rho_s(v)$ ，允许参考信号 $v$ 穿透约束边界直至极限 $\delta_s$ 。这种穿透对于产生合规接触所需的力是必要的。总导航场结合了向目标的吸引力、来自硬约束的排斥力以及这种软排斥力。

主要贡献
本文声称有三项主要贡献：

模块化参考滤波：一个框架，能够在尊重关节角度、速度和扭矩约束的同时，无缝过渡到无接触和富含接触的运动，而无需重新设计控制器。
析取约束处理：一种专门针对“或类型”约束设计的安全机制，确保可证明地满足要么避免接触，要么在接触期间保持有界能量。
基于能量的安全准则：一种基于闭环系统总机械能（势能 + 动能）的安全指标。该指标具有帧不变性，直接与稳定性保证相关联，且易于解释。

结果与验证
CERG 在日益复杂的系统上进行了数值和实验验证：

双连杆平面臂（仿真）：CERG 在关节空间和末端执行器控制器下进行了测试。结果表明，与未使用 CERG 的情况相比，CERG 成功降低了相互作用力并遵守了能量界限。研究指出，虽然末端执行器空间表述最小化了笛卡尔误差，但关节空间表述更适合分层架构。
Franka Emika Panda 仿真（Drake）：使用带有摩擦和耗散的合规接触模型，CERG 在要求机械臂沿墙壁滑动的任务上进行了测试。仿真确认，CERG 在接触期间遵守了 $E_{\max}$ 限制，而标准 ERG（接触时停止）和未修改的系统未能有效管理能量过渡。
现实世界实验（Franka Emika Panda）：执行了两项任务：
1. 白板擦拭：一项对能量不敏感的任务。CERG、ERG 和阻抗控制都完成了任务，但只有 CERG 在接触期间执行了硬约束（防止关节速度违规）和能量限制。
2. 叠叠乐塔推倒：一项对能量高度敏感的任务。阻抗控制器因关节限制违规或推倒塔而失败。标准 ERG 因接触能量过高而未能防止塔倒塌。只有 CERG 通过在接触期间严格执行 $E_{\max}$ 同时允许自由运动期间具有更高能量，成功推倒了塔而未使其倒塌。

意义与声明
本文断言，CERG 通过充当“即插即用”安全滤波器，为富含接触的操纵提供了实用解决方案。其意义在于使机器人能够将接触视为资源而非危害，而无需承担全面 MPC 重新设计的计算负担，也无需承担未修改控制器的不稳定风险。该框架通过对系统总能量的可证明约束来保证安全，允许自由运动与接触之间的无缝阶段过渡。作者得出结论，该方法切实可行且有效，未来的工作计划是将 CERG 与面向任务的规划器进行接口连接。