可变形线性对象（DLOS）的机器人操纵在许多领域都具有广泛的应用前景。但是，一个关键问题是获得确切的变形模型（即机器人运动如何影响DLO变形），这些模型在不同的DLOS之间很难计算和变化。因此，DLOS的形状控制具有挑战性，尤其是对于需要全球和更准确模型的大型变形控制。在本文中，我们提出了一种离线和在线数据驱动的方法，用于有效地学习全球变形模型，从而可以通过离线学习进行准确的建模，并通过在线适应进行新的DLOS进行进一步更新。具体而言，由神经网络近似的模型首先是在随机数据的离线训练中，然后无缝迁移到在线阶段，并在实际操纵过程中进一步在线更新。引入了几种策略，以提高模型的效率和泛化能力。我们提出了一个基于凸优化的控制器，并使用Lyapunov方法分析系统的稳定性。详细的仿真和现实世界实验表明，我们的方法可以有效，精确地估计变形模型，并在2D和3D双臂操纵任务中对未经训练的DLO进行大型变形控制，而不是现有方法。它仅使用仿真数据进行离线学习来完成所有24个任务，并在现实世界中不同的DLO上具有不同的所需形状。

操纵可变形的线性对象（DLOS）在有障碍的受约束环境中实现所需的形状是一项有意义但具有挑战性的任务。对于这项高度约束的任务是必要的；但是，由于规划人员的可变形性质，计划人员需要的准确模型很难获得，并且不可避免的建模错误会显着影响计划结果，如果机器人只是以开环的方式执行计划的路径，则可能导致任务失败。在本文中，我们提出了一个粗到精细的框架，以结合全球计划和局部控制，以进行双臂操纵DLO，能够精确实现所需的配置并避免DLO，机器人和障碍物之间的潜在碰撞。具体而言，全球规划师是指一个简单而有效的DLO能量模型，并计算出一条粗略的途径，以确保任务的可行性。然后，本地控制器遵循该路径作为指导，并通过闭环反馈进一步塑造它，以补偿计划错误并保证任务的准确性。仿真和现实世界实验都表明，我们的框架可以在使用不精确的DLO模型的受约束环境中稳健地实现所需的DLO配置。仅通过计划或控制就无法可靠地实现。

在本文中，我们提出了一种新颖的，通用的数据驱动方法，用于伺服控制连续机器人的3-D形状，并嵌入了纤维bragg光栅（FBG）传感器。 3D形状感知和控制技术的发展对于连续机器人在手术干预中自主执行任务至关重要。但是，由于连续机器人的非线性特性，主要难度在于它们的建模，尤其是对于具有可变刚度的软机器人。为了解决这个问题，我们通过利用FBG形状反馈和神经网络（NNS）提出了一个新的健壮自适应控制器，该反馈和神经网络（NNS）可以在线估算连续机器人的未知模型，并说明了意外的干扰以及NN近似错误，该错误表现出适应性行为对适应性行为呈现没有先验数据探索的未建模系统。基于新的复合适应算法，Lyapunov理论证明了具有NNS学习参数的闭环系统的渐近收敛。为了验证所提出的方法，我们通过使用两个连续机器人进行了一项全面的实验研究，这些连续机器人都与多核FBG集成，包括机器人辅助结肠镜和多部分可扩展的软操纵剂。结果表明，在各种非结构化环境以及幻影实验中，我们的控制器的可行性，适应性和优越性。

可变形物体的形状控制是一个具有挑战性且重要的机器人问题。本文提出了一个基于模态分析的新型3D全局变形特征的无模型控制器。与使用几何功能的大多数现有控制器不同，我们的控制器通过将3D全局变形将其分解为低频模式形状，采用基于物理的变形功能。尽管模态分析在计算机视觉和仿真中被广泛采用，但尚未用于机器人变形控制中。我们为机器人操纵下的基于模态的变形控制开发了一个新的无模型框架。模式形状的物理解释使我们能够制定一个分析变形雅各布矩阵，将机器人操纵映射到模态特征的变化上。在Jacobian矩阵中，对象的未知几何形状和物理性质被视为低维模态参数，可用于线性地参数化闭环系统。因此，可以设计具有证实稳定性的自适应控制器，以使对象变形，同时在线估计模态参数。模拟和实验是在不同设置下使用线性，平面和实体对象进行的。结果不仅证实了我们的控制器的出色性能，而且还证明了其优势比基线方法。

机器人布操作是自动机器人系统的相关挑战性问题。高度可变形的对象，因为纺织品在操纵过程中可以采用多种配置和形状。因此，机器人不仅应该了解当前的布料配置，还应能够预测布的未来行为。本文通过使用模型预测控制（MPC）策略在对象的其他部分应用动作，从而解决了间接控制纺织对象某些点的配置的问题，该策略还允许间接控制的行为点。设计的控制器找到了最佳控制信号，以实现所需的未来目标配置。本文中的探索场景考虑了通过抓住其上角，以平方布的下角跟踪参考轨迹。为此，我们提出并验证线性布模型，该模型允许实时解决与MPC相关的优化问题。增强学习（RL）技术用于学习所提出的布模型的最佳参数，并调整所得的MPC。在模拟中获得准确的跟踪结果后，在真实的机器人中实现并执行了完整的控制方案，即使在不利条件下也可以获得准确的跟踪。尽管总观察到的误差达到5 cm标记，但对于30x30 cm的布，分析表明，MPC对该值的贡献少于30％。

在本文中，我们提出了一种通用的统一跟踪方法，用于使用机器人臂控制弹性可变形物体的形状。我们的方法是通过在对象周围形成晶格，将对象绑定到晶格，并跟踪和伺服晶格而不是对象来起作用。这使我们的方法对任何通用形式的可变形物体（线性，薄壳，体积）具有完整的3D控制。此外，它将方法的运行时复杂性与对象的几何复杂性分解。我们的方法基于可行的（ARAP）变形模型。它不需要知道对象的机械参数，并且可以通过大变形将对象驱动到所需的形状。我们方法的输入是对象表面的静止形状的点云，并且每个帧中的3D摄像头捕获了点云。 Ovearll，我们的方法比现有方法更广泛地适用。我们通过各种形状和材料（纸，橡胶，塑料，泡沫）的可变形物体进行多种实验来验证方法的效率。实验视频可在项目网站上找到：https：//sites.google.com/view/tracking-servoing-apphach。

受约束运动控制的最新进展使其成为在具有挑战性的任务中使用任意几何形状控制机器人的有吸引力的策略。当前大多数作品都假定机器人运动模型足够精确，可以完成手头的任务。但是，随着机器人应用的需求和安全要求的增加，需要在线补偿运动学不准确的控制器。我们提出了基于二次编程的自适应约束运动控制策略，该策略使用部分或完整的任务空间测量来补偿在线校准错误。与最先进的运动学控制策略相比，我们的方法在实验中得到了验证。

流体驱动的软机器人具有有希望的功能，例如固有的合规性和用户安全。软机器人的控制需要正确处理非线性致动力学，运动限制，工作空间限制和可变形状刚度，因此对于所有这些问题，拥有独特的算法将是非常有益的。在这项工作中，我们将流行的刚性机器人的模型预测控制（MPC）适应为称为Sopra的软机器人臂。我们通过提出一个以模块化方式处理这些框架来解决当前控制方法面临的挑战。尽管以前的工作着重于联合空间公式，但我们通过模拟和实验结果表明，可以成功实施任务空间MPC来进行动态软机器人控制。我们提供了一种方法，可以将零件的恒定曲率和增强的刚体模型假设与内部和外部约束和驱动动力学相结合，并提供了将这些方面团结起来并优化它们的算法。我们认为，基于我们方法的MPC实施可能是解决统一和模块化框架内的大多数基于模型的软机器人控制问题的方法，同时允许包括通常属于其他控制域（例如机器学习技术）的改进。

可变形的物体操纵（DOM）是机器人中的新兴研究问题。操纵可变形对象的能力赋予具有更高自主权的机器人，并承诺在工业，服务和医疗领域中的新应用。然而，与刚性物体操纵相比，可变形物体的操纵相当复杂，并且仍然是开放的研究问题。解决DOM挑战在机器人学的几乎各个方面，即硬件设计，传感，（变形）建模，规划和控制的挑战突破。在本文中，我们审查了最近的进步，并在考虑每个子场中的变形时突出主要挑战。我们论文的特殊焦点在于讨论这些挑战并提出未来的研究方向。

机器人的大多数对象操纵策略都是基于以下假设：对象是刚性（即具有固定几何形状），并且目标的细节已完全指定（例如，确切的目标姿势）。但是，有许多任务涉及人类环境中的空间关系，这些条件可能难以满足，例如弯曲和将电缆放入未知容器中。为了在非结构化的环境中开发先进的机器人操纵功能，以避免这些假设，我们提出了一个新颖的长马框架，该框架利用了对比计划来寻找有希望的协作行动。使用随机操作收集的仿真数据，我们以对比方式学习一个嵌入模型，该模型从成功的体验中编码时空信息，从而通过在潜在空间中的聚类来促进次目标计划。基于基于KePoint对应的操作参数化，我们为双臂之间的协作设计了领导者追随者控制方案。我们政策的所有模型均经过模拟自动培训，可以直接传输到现实世界环境中。为了验证所提出的框架，我们对模拟和真实环境中的环境和可及性约束，对复杂场景进行了详细的实验研究。

从意外的外部扰动中恢复的能力是双模型运动的基本机动技能。有效的答复包括不仅可以恢复平衡并保持稳定性的能力，而且在平衡恢复物质不可行时，也可以保证安全的方式。对于与双式运动有关的机器人，例如人形机器人和辅助机器人设备，可帮助人类行走，设计能够提供这种稳定性和安全性的控制器可以防止机器人损坏或防止伤害相关的医疗费用。这是一个具有挑战性的任务，因为它涉及用触点产生高维，非线性和致动系统的高动态运动。尽管使用基于模型和优化方法的前进方面，但诸如广泛领域知识的要求，诸如较大的计算时间和有限的动态变化的鲁棒性仍然会使这个打开问题。在本文中，为了解决这些问题，我们开发基于学习的算法，能够为两种不同的机器人合成推送恢复控制政策：人形机器人和有助于双模型运动的辅助机器人设备。我们的工作可以分为两个密切相关的指示：1）学习人形机器人的安全下降和预防策略，2）使用机器人辅助装置学习人类的预防策略。为实现这一目标，我们介绍了一套深度加强学习（DRL）算法，以学习使用这些机器人时提高安全性的控制策略。

尽管移动操作在工业和服务机器人技术方面都重要，但仍然是一个重大挑战，因为它需要将最终效应轨迹的无缝整合与导航技能以及对长匹马的推理。现有方法难以控制大型配置空间，并导航动态和未知环境。在先前的工作中，我们建议将移动操纵任务分解为任务空间中最终效果的简化运动生成器，并将移动设备分解为训练有素的强化学习代理，以说明移动基础的运动基础，以说明运动的运动可行性。在这项工作中，我们引入了移动操作的神经导航（n $^2 $ m $^2 $），该导航将这种分解扩展到复杂的障碍环境，并使其能够解决现实世界中的广泛任务。最终的方法可以在未探索的环境中执行看不见的长马任务，同时立即对动态障碍和环境变化做出反应。同时，它提供了一种定义新的移动操作任务的简单方法。我们证明了我们提出的方法在多个运动学上多样化的移动操纵器上进行的广泛模拟和现实实验的能力。代码和视频可在http://mobile-rl.cs.uni-freiburg.de上公开获得。

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.

策略搜索和模型预测控制〜（MPC）是机器人控制的两个不同范式：策略搜索具有使用经验丰富的数据自动学习复杂策略的强度，而MPC可以使用模型和轨迹优化提供最佳控制性能。开放的研究问题是如何利用并结合两种方法的优势。在这项工作中，我们通过使用策略搜索自动选择MPC的高级决策变量提供答案，这导致了一种新的策略搜索 - 用于模型预测控制框架。具体地，我们将MPC作为参数化控制器配制，其中难以优化的决策变量表示为高级策略。这种制定允许以自我监督的方式优化政策。我们通过专注于敏捷无人机飞行中的具有挑战性的问题来验证这一框架：通过快速的盖茨飞行四轮车。实验表明，我们的控制器在模拟和现实世界中实现了鲁棒和实时的控制性能。拟议的框架提供了合并学习和控制的新视角。

在本文中，我们开辟了基于路径积分（PI）最优控制理论的可视伺服系统的新途径，其中可以将非线性部分微分方程（PDE）转换为使用Feynman的所有可能的轨迹的期望-KAC（FK）引理。更精确地，我们提出了基于采样的模型预测控制（即，模型预测路径积分（MPPI）控制）算法，提出了MPPI-VS控制策略，实时和无反转控制策略（即，模型预测路径积分（MPPI）控制）算法 - 基于，3D点和基于位置的可视伺服技术，考虑到系统约束（例如可见性，3D和控制约束）以及与机器人和相机模型相关联的参数不确定性以及测量噪声。与经典的视觉伺服控制方案相反，我们的控制策略直接利用交互矩阵的近似，而无需估计交互矩阵反转或执行伪反转。我们在带有引导摄像机的6-DOF笛卡尔机器人上验证MPPI-VS控制策略以及基于图像平面中的四个点作为视觉特征的常规摄像机。与经典计划相比，更好地评估和展示所提出的控制策略的鲁棒性和潜在优势，进行了各种操作条件下的密集模拟，然后讨论。所获得的结果证明了所提出的方案在容易与系统限制中应对的有效性和能力，以及在相机参数和测量中存在大误差的鲁棒性。

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。

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。

与传统的机器人手不同，由于固有的不确定性，兼容的手不足的手对模型的挑战。因此，通常基于视觉感知执行抓握对象的姿势估计。但是，在闭塞或部分占地环境中，对手和物体的视觉感知可以受到限制。在本文中，我们旨在探索触觉的使用，即动力学和触觉感测，以构成姿势估计和手动操纵，手工不足。这种触觉方法会减轻并非总是可用的视线。我们强调识别系统的特征状态表示，该状态表示不包括视觉，可以通过简单和低成本的硬件获得。因此，对于触觉传感，我们提出了一个低成本和灵活的传感器，该传感器主要是与指尖一起打印的3D，并可以提供隐式的接触信息。我们将双手手动的手作为测试案例不足，我们分析了动力学和触觉特征以及各种回归模型对预测准确性的贡献。此外，我们提出了一种模型预测控制（MPC）方法，该方法利用姿势估计将对象操纵为仅基于触觉的所需状态。我们进行了一系列实验，以验证具有不同几何形状，刚度和纹理的各种物体的姿势的能力，并以相对较高的精度显示工作空间中的目标。

在人类机器人的相互作用中，眼球运动在非语言交流中起着重要作用。但是，控制机器人眼的动作表现出与人眼动物系统相似的性能仍然是一个重大挑战。在本文中，我们研究了如何使用电缆驱动的驱动系统来控制人眼的现实模型，该系统模仿了六个眼外肌肉的自由度。仿生设计引入了解决新的挑战，最值得注意的是，需要控制每种肌肉的支撑，以防止运动过程中的紧张感损失，这将导致电缆松弛和缺乏控制。我们构建了一个机器人原型，并开发了一个非线性模拟器和两个控制器。在第一种方法中，我们使用局部衍生技术线性化了非线性模型，并设计了线性 - 季度最佳控制器，以优化计算准确性，能量消耗和运动持续时间的成本函数。第二种方法使用复发性神经网络，该神经网络从系统的样本轨迹中学习非线性系统动力学，以及一个非线性轨迹优化求解器，可最大程度地减少相似的成本函数。我们专注于具有完全不受限制的运动学的快速saccadic眼球运动，以及六根电缆的控制信号的生成，这些电缆同时满足了几个动态优化标准。该模型忠实地模仿了人类扫视观察到的三维旋转运动学和动力学。我们的实验结果表明，尽管两种方法都产生了相似的结果，但非线性方法对于未来改进该模型的方法更加灵活，该模型的计算是线性化模型的位置依赖性偏向和局部衍生物的计算变得特别乏味。

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。