在本文中，我们提出了一个框架，将避免避免和故意对机器人操纵器的物理相互作用的框架。随着人类和机器人开始在工作和家庭环境中共存，纯粹的碰撞避免不足，因为人机接触是不可避免的，在某些情况下，需要。我们的工作使操纵器能够预测，检测和采取联系。为此，我们通过速度降低和运动限制，我们允许从机器人的原始轨迹的有限偏差。然后，如果发生联系，机器人可以基于新颖的动态接触阈值算法检测它和操纵。这项工作的核心贡献是动态接触阈值处理，其允许具有车载接近传感器的机械手来跟踪附近的物体并在预期碰撞时减少接触力。我们的框架在物理人体机器人互动过程中引发自然行为。我们在使用法兰卡埃米瓦熊猫机器人手臂上评估我们的系统各种场景;统称，我们的结果表明，我们的贡献不仅能够避免并反应接触，而且还预计它。

This study proposes novel control methods that lower impact force by preemptive movement and smoothly transition to conventional contact impedance control. These suggested techniques are for force control-based robots and position/velocity control-based robots, respectively. Strong impact forces have a negative influence on multiple robotic tasks. Recently, preemptive impact reduction techniques that expand conventional contact impedance control by using proximity sensors have been examined. However, a seamless transition from impact reduction to contact impedance control has not yet been accomplished. The proposed methods utilize a serial combined impedance control framework to solve this problem. The preemptive impact reduction feature can be added to the already implemented impedance controller because the parameter design is divided into impact reduction and contact impedance control. There is no undesirable contact force during the transition. Furthermore, even though the preemptive impact reduction employs a crude optical proximity sensor, the influence of reflectance is minimized using a virtual viscous force. Analyses and real-world experiments confirm these benefits.

In unstructured environments, robots run the risk of unexpected collisions. How well they react to these events is determined by how transparent they are to collisions. Transparency is affected by structural properties as well as sensing and control architectures. In this paper, we propose the collision reflex metric as a way to formally quantify transparency. It is defined as the total impulse transferred in collision, which determines the collision mitigation capabilities of a closed-loop robotic system taking into account structure, sensing, and control. We analyze the effect of motor scaling, stiffness, and configuration on the collision reflex of a system using an analytical model. Physical experiments using the move-until-touch behavior are conducted to compare the collision reflex of direct-drive and quasi-direct-drive actuators and robotic hands (Schunk WSG-50 and Dexterous DDHand.) For transparent systems, we see a counter-intuitive trend: the impulse may be lower at higher pre-impact velocities.

本文提出了一种新颖的互动计划方法，该方法仅使用触觉信息来利用阻抗调谐技术，以应对环境不确定性和不可预测的条件。拟议的算法根据与环境的触觉互动并根据需要调整计划策略的触觉计划。考虑了两种方法：探索和弹跳策略。勘探策略在计划中考虑了机器人的实际运动，而弹跳策略则利用了机器人的力量和运动向量。此外，根据计划的轨迹进行自我调整阻抗，以确保合规接触和低接触力。为了显示拟议方法论的性能，进行了两个具有扭矩控制器机器人臂的实验。第一个认为没有障碍的迷宫探索，而第二个包括障碍。在两种情况下，分析了提出的方法性能并与先前提出的解决方案进行比较。实验结果表明：i）机器人可以根据与环境的相互作用在最可行的方向上成功地计划其轨迹，ii）尽管达到了不确定性，但与未知环境的合规性相互作用。最后，进行了可伸缩性演示，以显示在多种情况下提出的方法的潜力。

本文着重于影响弹性的移动机器人的碰撞运动计划和控制的新兴范式转移，并开发了一个统一的层次结构框架，用于在未知和部分观察的杂物空间中导航。在较低级别上，我们开发了一种变形恢复控制和轨迹重新启动策略，该策略处理可能在本地运行时发生的碰撞。低级系统会积极检测碰撞（通过内部内置的移动机器人上的嵌入式霍尔效应传感器），使机器人能够从其内部恢复，并在本地调整后影响后的轨迹。然后，在高层，我们提出了一种基于搜索的计划算法，以确定如何最好地利用潜在的碰撞来改善某些指标，例如控制能量和计算时间。我们的方法建立在A*带有跳跃点的基础上。我们生成了一种新颖的启发式功能，并进行了碰撞检查和调整技术，从而使A*算法通过利用和利用可能的碰撞来更快地收敛到达目标。通过将全局A*算法和局部变形恢复和重新融合策略以及该框架的各个组件相结合而生成的整体分层框架在模拟和实验中都经过了广泛的测试。一项消融研究借鉴了与基于搜索的最先进的避免碰撞计划者（用于整体框架）的链接，以及基于搜索的避免碰撞和基于采样的碰撞 - 碰撞 - 全球规划师（对于更高的较高的碰撞 - 等级）。结果证明了我们的方法在未知环境中具有碰撞的运动计划和控制的功效，在2D中运行的一类撞击弹性机器人具有孤立的障碍物。

Robotic teleoperation is a key technology for a wide variety of applications. It allows sending robots instead of humans in remote, possibly dangerous locations while still using the human brain with its enormous knowledge and creativity, especially for solving unexpected problems. A main challenge in teleoperation consists of providing enough feedback to the human operator for situation awareness and thus create full immersion, as well as offering the operator suitable control interfaces to achieve efficient and robust task fulfillment. We present a bimanual telemanipulation system consisting of an anthropomorphic avatar robot and an operator station providing force and haptic feedback to the human operator. The avatar arms are controlled in Cartesian space with a direct mapping of the operator movements. The measured forces and torques on the avatar side are haptically displayed to the operator. We developed a predictive avatar model for limit avoidance which runs on the operator side, ensuring low latency. The system was successfully evaluated during the ANA Avatar XPRIZE competition semifinals. In addition, we performed in lab experiments and carried out a small user study with mostly untrained operators.

为了成为人类的有效伴侣，机器人必须越来越舒适地与环境接触。不幸的是，机器人很难区分``足够的''和``太多''力：完成任务需要一些力量，但太多可能会损害设备或伤害人类。设计合规的反馈控制器（例如刚度控制）的传统方法需要对控制参数进行手工调整，并使建立安全，有效的机器人合作者变得困难。在本文中，我们提出了一种新颖而易于实现的力反馈控制器，该反馈控制器使用控制屏障功能（CBF）直接从用户的最大允许力和扭矩的用户规格中得出合并的控制器。我们比较了传统僵硬控制的方法，以证明控制架构的潜在优势，并在人类机器人协作任务中证明了控制器的有效性：对笨重对象的合作操纵。

本文提出了一种以非零速度的效果友好型捕捉对象的混合优化和学习方法。通过受约束的二次编程问题，该方法生成最佳轨迹，直至机器人和对象之间的接触点，以最小化其相对速度并减少初始影响力。接下来，生成的轨迹是由基于人类的捕捉演示的旋风动作原始词更新的，以确保围绕接口点的平稳过渡。此外，学习的人类可变刚度（HVS）被发送到机器人的笛卡尔阻抗控制器，以吸收后影响力并稳定捕获位置。进行了三个实验，以将我们的方法与固定位置阻抗控制器（FP-IC）进行比较。结果表明，所提出的方法的表现优于FP-IC，同时添加HVS可以更好地吸收影响后力。

在机器人上使用皮肤样触觉传感器可以通过添加检测人类接触的能力来增强协作机器人的安全性和可用性。不幸的是，单独的简单二元触觉传感器无法确定人类接触的背景 - 无论是故意的互动还是需要安全操作的意外碰撞。许多已发表的方法使用更高级的触觉传感器或分析联合扭矩对离散相互作用进行了分类。取而代之的是，我们建议通过添加机器人安装的摄像头来增强简单二进制触觉传感器的意图识别能力。不同的相互作用特征，包括触摸位置，人姿势和凝视方向，用于训练监督的机器学习算法，以对触摸是否有意为92％的准确性。我们证明，与协作机器人百特（Baxter）的多模式意图识别相比单疗分析要准确得多。此外，我们的方法还可以通过凝视来衡量用户的注意力来连续监视在故意或无意间之间流动变化的相互作用。如果用户停止在中任务中注意注意力，则建议的意图和注意力识别算法可以激活安全功能，以防止不安全的互动。另外，提出的方法是机器人和触摸传感器布局不可知论，并且与其他方法互补。

为了安全地在现实世界中部署腿部机器人，有必要为他们提供可靠地检测出意外接触并准确估算相应接触力的能力。在本文中，我们提出了针对四足动物的碰撞检测和识别管道。我们首先引入了一种基于带通滤波的碰撞时间跨度的方法，并证明此信息是获得准确的碰撞力估计值的关键。然后，我们通过补偿模型不准确性，未建模的载荷以及作用在机器人上的任何其他潜在的准静态干扰来源来提高所识别力量幅度的准确性。在各种情况下，我们通过广泛的硬件实验来验证我们的框架，包括小跑和机器人上的其他未建模负载。

我们描述了更改 - 联系机器人操作任务的框架，要求机器人与对象和表面打破触点。这种任务的不连续交互动态使得难以构建和使用单个动力学模型或控制策略，并且接触变化期间动态的高度非线性性质可能对机器人和物体造成损害。我们提出了一种自适应控制框架，使机器人能够逐步学习以预测更改联系人任务中的接触变化，从而了解了碎片连续系统的交互动态，并使用任务空间可变阻抗控制器提供平滑且精确的轨迹跟踪。我们通过实验比较我们框架的表现，以确定所需的代表性控制方法，以确定我们框架的自适应控制和增量学习组件需要在变化 - 联系机器人操纵任务中存在不连续动态的平稳控制。

我们引入了一个球形指尖传感器进行动态操作。它基于气压压力和飞行时间接近传感器，并且是低延迟，紧凑且身体健壮的。传感器使用训练有素的神经网络根据压力传感器的数据来估计接触位置和三轴接触力，这些数据嵌入了传感器的聚氨酯橡胶范围内。飞行器传感器朝三个不同的外向方向面对，并且一个集成的微控制器样品以200 Hz的速度每个单个传感器。为了量化系统潜伏期对动态操作性能的影响，我们开发和分析了一个称为碰撞脉冲比率的度量，并表征了我们新传感器的端到端潜伏期。我们还向传感器提出了实验演示，包括测量接触过渡，进行粗大映射，与移动物体保持接触力以及避免碰撞的反应。

In this paper, we propose a unified whole-body control framework for velocity-controlled mobile collaborative robots which can distribute task motion into the arm and mobile base according to specific task requirements by adjusting weighting factors. Our framework focuses on addressing two challenging issues in whole-body coordination: 1) different dynamic characteristics of the mobile base and the arm; 2) avoidance of violating both safety and configuration constraints. In addition, our controller involves Coupling Dynamic Movement Primitives to enable the essential capabilities for collaboration and interaction applications, such as obstacle avoidance, human teaching, and compliance control. Based on these, we design an adaptive motion mode for intuitive physical human-robot interaction through adjusting the weighting factors. The proposed controller is in closed-form and thus quite computationally efficient. Several typical experiments carried out on a real mobile collaborative robot validate the effectiveness of the proposed controller.

In this paper a global reactive motion planning framework for robotic manipulators in complex dynamic environments is presented. In particular, the circular field predictions (CFP) planner from Becker et al. (2021) is extended to ensure obstacle avoidance of the whole structure of a robotic manipulator. Towards this end, a motion planning framework is developed that leverages global information about promising avoidance directions from arbitrary configuration space motion planners, resulting in improved global trajectories while reactively avoiding dynamic obstacles and decreasing the required computational power. The resulting motion planning framework is tested in multiple simulations with complex and dynamic obstacles and demonstrates great potential compared to existing motion planning approaches.

在工业机器人附近工作时，人体安全一直是重中之重。随着人类机器人协作环境的兴起，避免碰撞的物理障碍已经消失，增加了事故的风险以及需要确保安全的人类机器人协作的解决方案。本文提出了一个安全系统，该安全系统实现速度和分离监控（SSM）的操作类型。为此，根据工业协作机器人的当前标准，在机器人的工作区中定义了安全区域。基于深度学习的计算机视觉系统可检测，轨道和估计机器人附近的操作员的3D位置。机器人控制系统接收操作员的3D位置，并在模拟环境中生成其3D表示。根据检测到最接近操作员的区域，机器人停止或更改其工作速度。呈现人类和机器人相互作用的三种不同操作模式。结果表明，基于视觉的系统可以正确检测和分类操作员的安全区域，并且不同提出的操作模式确保机器人的反应和停止时间在所需的时间限制之内以确保安全性。

本文为复杂和物理互动的任务提供了用于移动操纵器的混合学习和优化框架。该框架利用了入学型物理接口，以获得直观而简化的人类演示和高斯混合模型（GMM）/高斯混合物回归（GMR），以根据位置，速度和力剖面来编码和生成学习的任务要求。接下来，使用GMM/GMR生成的所需轨迹和力剖面，通过用二次程序加强能量箱增强笛卡尔阻抗控制器的阻抗参数可以在线优化，以确保受控系统的消极性。进行了两个实验以验证框架，将我们的方法与两种恒定刚度（高和低）的方法进行了比较。结果表明，即使在存在诸如意外的最终效应碰撞等干扰的情况下，该方法在轨迹跟踪和生成的相互作用力方面都优于其他两种情况。

现代的机器人操纵系统缺乏人类的操纵技巧，部分原因是它们依靠围绕视觉数据的关闭反馈循环，这会降低系统的带宽和速度。通过开发依赖于高带宽力，接触和接近数据的自主握力反射，可以提高整体系统速度和鲁棒性，同时减少对视力数据的依赖。我们正在开发一个围绕低渗透的高速手臂建造的新系统，该系统用敏捷的手指结合了一个高级轨迹计划器，以小于1 Hz的速度运行，低级自主反射控制器的运行量超过300 Hz。我们通过将成功的基线控制器和反射握把控制器的变化的成功抓Grasps的体积和反射系统的体积进行比较，从而表征了反射系统，发现我们的控制器将成功的掌握率与基线相比扩大了55％。我们还使用简单的基于视觉的计划者在自主杂波清除任务中部署了反身抓握控制器，在清除100多个项目的同时，达到了超过90％的成功率。

在粗糙的地形上的动态运动需要准确的脚部放置，避免碰撞以及系统的动态不足的计划。在存在不完美且常常不完整的感知信息的情况下，可靠地优化此类动作和互动是具有挑战性的。我们提出了一个完整的感知，计划和控制管道，可以实时优化机器人所有自由度的动作。为了减轻地形所带来的数值挑战，凸出不平等约束的顺序被提取为立足性可行性的局部近似值，并嵌入到在线模型预测控制器中。每个高程映射预先计算了步骤性分类，平面分割和签名的距离场，以最大程度地减少优化过程中的计算工作。多次射击，实时迭代和基于滤波器的线路搜索的组合用于可靠地以高速率解决该法式问题。我们在模拟中的间隙，斜率和踏上石头的情况下验证了所提出的方法，并在Anymal四倍的平台上进行实验，从而实现了最新的动态攀登。

Force modulation of robotic manipulators has been extensively studied for several decades. However, it is not yet commonly used in safety-critical applications due to a lack of accurate interaction contact modeling and weak performance guarantees - a large proportion of them concerning the modulation of interaction forces. This study presents a high-level framework for simultaneous trajectory optimization and force control of the interaction between a manipulator and soft environments, which is prone to external disturbances. Sliding friction and normal contact force are taken into account. The dynamics of the soft contact model and the manipulator are simultaneously incorporated in a trajectory optimizer to generate desired motion and force profiles. A constrained optimization framework based on Alternative Direction Method of Multipliers (ADMM) has been employed to efficiently generate real-time optimal control inputs and high-dimensional state trajectories in a Model Predictive Control fashion. Experimental validation of the model performance is conducted on a soft substrate with known material properties using a Cartesian space force control mode. Results show a comparison of ground truth and real-time model-based contact force and motion tracking for multiple Cartesian motions in the valid range of the friction model. It is shown that a contact model-based motion planner can compensate for frictional forces and motion disturbances and improve the overall motion and force tracking accuracy. The proposed high-level planner has the potential to facilitate the automation of medical tasks involving the manipulation of compliant, delicate, and deformable tissues.

在这项研究中，提出了一个自适应对象可变形性不足的人类机器人协作运输框架。提出的框架使通过对象传输的触觉信息与从运动捕获系统获得的人类运动信息结合在一起，以在移动协作机器人上产生反应性的全身运动。此外，它允许基于算法在共同转移过程中以直观而准确的方式旋转对象，该算法使用躯干和手动运动检测人旋转意图。首先，我们通过使用由Omni方向移动基础和协作机器人组组成的移动操纵器，通过对象变形范围的两个末端（即纯粹的铝制杆和高度变形绳）来验证框架。接下来，将其性能与12个受试者用户研究中部分可变形对象的共同携带任务中的录取控制器进行了比较。该实验的定量和定性结果表明，所提出的框架可以有效地处理物体的运输，而不管其可变形性如何，并为人类伴侣提供直观的援助。最后，我们在不同的情况下展示了我们的框架的潜力，在不同的情况下，人类和机器人使用可变形的床单共同传输了手工蛋白。