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。

In this paper, we propose a novel variable-length estimation approach for shape sensing of extensible soft robots utilizing fiber Bragg gratings (FBGs). Shape reconstruction from FBG sensors has been increasingly developed for soft robots, while the narrow stretching range of FBG fiber makes it difficult to acquire accurate sensing results for extensible robots. Towards this limitation, we newly introduce an FBG-based length sensor by leveraging a rigid curved channel, through which FBGs are allowed to slide within the robot following its body extension/compression, hence we can search and match the FBGs with specific constant curvature in the fiber to determine the effective length. From the fusion with the above measurements, a model-free filtering technique is accordingly presented for simultaneous calibration of a variable-length model and temporally continuous length estimation of the robot, enabling its accurate shape sensing using solely FBGs. The performances of the proposed method have been experimentally evaluated on an extensible soft robot equipped with an FBG fiber in both free and unstructured environments. The results concerning dynamic accuracy and robustness of length estimation and shape sensing demonstrate the effectiveness of our approach.

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。

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。

软机器均由柔顺性和可变形的材料制成，可以对传统的刚性机器人进行具有挑战性的任务。软机器人的固有依从性使其更适合和适应与人类和环境的相互作用。然而，这种优势以成本为准：他们的连续性性质使得强大地发展基于稳健的基于模型的控制策略。具体地，解决这一挑战的自适应控制方法尚未应用于物理软机械臂。这项工作介绍了使用Euler-Lagrange方法对软连续式机械手进行动态的重新装配。该模型消除了先前作品中的简化假设，并提供了更准确的机器人惯性描述。基于我们的模型，我们介绍了任务空间自适应控制方案。该控制器对模型参数不确定性和未知输入干扰具有稳健。控制器在物理软连续臂上实现。进行了一系列实验以验证控制器在不同有效载荷下的任务空间轨迹跟踪中的有效性。在准确性和稳健性方面，控制器均优于最先进的方法。此外，所提出的基于模型的控制设计是柔性的，并且可以广泛地推广到具有任意数量的连续段的任何连续型机器人臂。

动态运动是机器人武器的关键特征，使他们能够快速有效地执行任务。在任务空间运行时，软连续式操纵器目前尚未考虑动态参数。这种缺点使现有的软机器人缓慢并限制了他们处理外力的能力，特别是在物体操纵期间。我们通过使用动态操作空间控制来解决此问题。我们的控制方法考虑了3D连续体臂的动态参数，并引入了新模型，使多段软机械师能够在任务空间中顺利运行。先前仅为刚性机器人提供的先进控制方法现在适用于软机器;例如，潜在的场避免以前仅针对刚性机器人显示，现在延伸到软机器人。使用我们的方法，柔软的机械手现在可以实现以前不可能的各种任务：我们评估机械手在闭环控制实验中的性能，如拾取和障碍物避免，使用附加的软夹具抛出物体，并通过用掌握的粉笔绘制来故意将力施加到表面上。除了新的技能之外，我们的方法还提高了59％的跟踪精度，并将速度提高到19.3的尺寸，与最新的任务空间控制相比。通过这些新发现能力，软机器人可以开始挑战操纵领域的刚性机器人。我们固有的安全和柔顺的软机器人将未来的机器人操纵到一个不用的设置，其中人和机器人并行工作。

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。

机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。

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。

随着机器人在现实世界中冒险，他们受到无意义的动态和干扰。在相对静态和已知的操作环境中已成功地证明了基于传统的基于模型的控制方法。但是，当机器人的准确模型不可用时，基于模型的设计可能导致次优甚至不安全的行为。在这项工作中，我们提出了一种桥接模型 - 现实差距的方法，并且即使存在动态不确定性，也能够应用基于模型的方法。特别地，我们介绍基于学习的模型参考适应方法，其使机器人系统具有可能不确定的动态，表现为预定义的参考模型。反过来，参考模型可用于基于模型的控制器设计。与典型的模型参考调整控制方法相比，我们利用神经网络的代表性力量来捕获高度非线性动力学的不确定性，并通过在称为Lipschitz网络的特殊类型神经网络的建筑设计中编码认证嘴唇条件来捕获高度非线性动力学的不确定性和保证稳定性。即使我们的关于真正的机器人系统的先验知识有限，我们的方法也适用于一般的非线性控制仿射系统。我们展示了我们在飞行倒置摆的方法中的方法，其中一个搁板的四轮电机被挑战，以平衡倒挂摆在悬停或跟踪圆形轨迹时。

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.

我们提出协调指导矢量字段，以与机器人团队同时完成两个任务：首先，多个机器人的指导和导航到可能嵌入2D或3D中的可能不同的路径或表面；其次，他们的运动协调在跟踪他们的规定路径或表面时。运动配位是由路径或表面上的机器人之间所需的参数位移定义的。通过控制对应于指导矢量场之间的路径或表面参数的虚拟坐标来实现这种所需的位移。由动力学系统理论和Lyapunov理论支撑的严格数学保证，用于从所有初始位置上有效的分布式运动协调和机器人在路径或表面上导航。作为实用机器人应用的一个例子，我们从所提出的具有驱动饱和度的Dubins-car样模型的指导向量场中得出了一种对照算法。我们提出的算法分布并可扩展到任意数量的机器人。此外，广泛的说明性模拟和固定翼飞机户外实验验证了我们算法的有效性和鲁棒性。

基于视觉的控制在研究中发现了一个关键位置，以在物理传感限制下控制连续式机器人时解决状态反馈的要求。传统的视觉伺服需要特征提取和跟踪，而成像设备捕获图像，这限制了控制器的效率。我们假设采用深度学习模型和实现直接视觉伺服可以通过消除跟踪要求和控制连续内机器人而无需精确的系统模型来有效地解决问题。在本文中，我们控制了一种利用改进的VGG-16深度学习网络和掌握直接视觉伺服方法的单段肌腱驱动的连续内机器人。所提出的算法首先在搅拌机中使用目标的一个输入图像在搅拌机中开发，然后在真正的机器人上实现。由归一化目标和捕获图像之间的绝对差异和反映的正常，阴影和遮挡场景的收敛性和准确性证明了所提出的控制器的有效性和鲁棒性。

虽然在各种应用中广泛使用刚性机器人，但它们在他们可以执行的任务中受到限制，并且在密切的人机交互中可以保持不安全。另一方面，软机器鞋面超越了刚性机器人的能力，例如与工作环境，自由度，自由度，制造成本和与环境安全互动的兼容性。本文研究了纤维增强弹性机壳（释放）作为一种特定类型的软气动致动器的行为，可用于软装饰器。创建动态集参数模型以在各种操作条件下模拟单一免费的运动，并通知控制器的设计。所提出的PID控制器使用旋转角度来控制多项式函数之后的自由到限定的步进输入或轨迹的响应来控制末端执行器的方向。另外，采用有限元分析方法，包括释放的固有非线性材料特性，精确地评估释放的各种参数和配置。该工具还用于确定模块中多个释放的工作空间，这基本上是软机械臂的构建块。

由于这些要求的竞争性质，尤其是在一系列的运行速度和条件下，在转向控制中的准确性和误差融合与优美运动的平衡路径与优美的运动具有挑战性。本文表明，考虑滑移对运动学控制，动态控制和转向执行器速率命令的影响的集成多层转向控制器可实现准确且优美的路径。这项工作建立在多层侧滑和基于YAW的模型上，该模型允许派生控制器考虑由于侧滑而引起的误差以及转向命令和优美的侧向运动之间的映射。基于观察者的侧滑估计与运动控制器中的标题误差相结合，以提供前馈滑移补偿。使用基于速度的路径歧管，通过连续变量结构控制器（VSC）来补偿路径以下误差，以平衡优雅的运动和误差收敛。后台动态控制器使用结果偏航率命令来生成转向率命令。高增益观察者（HGO）估计输出反馈控制的侧滑和偏航率。提供了输出反馈控制器的稳定性分析，并解决了峰值。该工作仅针对侧向控制，因此转向控制器可以与其他速度控制器结合使用。现场结果提供了与相关方法的比较，这些方法在不同的复杂情况下证明了具有不同天气条件和扰动的不同复杂情况。

现代机器人系统具有卓越的移动性和机械技能，使其适合在现实世界场景中使用，其中需要与重物和精确的操纵能力进行互动。例如，具有高有效载荷容量的腿机器人可用于灾害场景，以清除危险物质或携带受伤的人。因此，可以开发能够使复杂机器人能够准确地执行运动和操作任务的规划算法。此外，需要在线适应机制，需要新的未知环境。在这项工作中，我们强加了模型预测控制（MPC）产生的最佳状态输入轨迹满足机器人系统自适应控制中的Lyapunov函数标准。因此，我们将控制Lyapunov函数（CLF）提供的稳定性保证以及MPC在统一的自适应框架中提供的最优性，在机器人与未知对象的交互过程中产生改进的性能。我们验证了携带未建模有效载荷和拉重盒子的四足机器人的仿真和硬件测试中提出的方法。

Accurate path following is challenging for autonomous robots operating in uncertain environments. Adaptive and predictive control strategies are crucial for a nonlinear robotic system to achieve high-performance path following control. In this paper, we propose a novel learning-based predictive control scheme that couples a high-level model predictive path following controller (MPFC) with a low-level learning-based feedback linearization controller (LB-FBLC) for nonlinear systems under uncertain disturbances. The low-level LB-FBLC utilizes Gaussian Processes to learn the uncertain environmental disturbances online and tracks the reference state accurately with a probabilistic stability guarantee. Meanwhile, the high-level MPFC exploits the linearized system model augmented with a virtual linear path dynamics model to optimize the evolution of path reference targets, and provides the reference states and controls for the low-level LB-FBLC. Simulation results illustrate the effectiveness of the proposed control strategy on a quadrotor path following task under unknown wind disturbances.

现有的数据驱动和反馈流量控制策略不考虑实时数据测量的异质性。此外，对于缺乏数据效率，传统的加固学习方法（RL）方法通常会缓慢收敛。此外，常规的最佳外围控制方案需要对系统动力学的精确了解，因此对内源性不确定性会很脆弱。为了应对这些挑战，这项工作提出了一种基于不可或缺的增强学习（IRL）的方法来学习宏观交通动态，以进行自适应最佳周边控制。这项工作为运输文献做出了以下主要贡献：（a）开发连续的时间控制，并具有离散增益更新以适应离散时间传感器数据。 （b）为了降低采样复杂性并更有效地使用可用数据，将体验重播（ER）技术引入IRL算法。 （c）所提出的方法以“无模型”方式放松模型校准的要求，该方式可以稳健地进行建模不确定性，并通过数据驱动的RL算法增强实时性能。 （d）通过Lyapunov理论证明了基于IRL的算法和受控交通动力学的稳定性的收敛性。最佳控制定律被参数化，然后通过神经网络（NN）近似，从而缓解计算复杂性。在不需要模型线性化的同时，考虑了状态和输入约束。提出了数值示例和仿真实验，以验证所提出方法的有效性和效率。

在腿的运动中重新规划对于追踪所需的用户速度，在适应地形并拒绝外部干扰的同时至关重要。在这项工作中，我们提出并测试了实验中的实时非线性模型预测控制（NMPC），用于腿部机器人，以实现各种地形上的动态运动。我们引入了一种基于移动性的标准来定义NMPC成本，增强了二次机器人的运动，同时最大化腿部移动性并提高对地形特征的适应。我们的NMPC基于实时迭代方案，使我们能够以25美元的价格重新计划在线，\ Mathrm {Hz} $ 2 $ 2 $ 2美元的预测地平线。我们使用在质量框架中心中定义的单个刚体动态模型，以提高计算效率。在仿真中，测试NMPC以横穿一组不同尺寸的托盘，走进V形烟囱，并在崎岖的地形上招揽。在真实实验中，我们展示了我们的NMPC与移动功能的有效性，使IIT为87美元\，\ Mathrm {kg} $四分之一的机器人HIQ，以实现平坦地形上的全方位步行，横穿静态托盘，并适应在散步期间重新定位托盘。

在本文中，提出了针对动力学不确定性的机器人操纵器提出的人工延迟阻抗控制器。控制定律将超级扭曲算法（STA）类型的二阶切换控制器通过新颖的广义过滤跟踪误差（GFTE）统一延迟估计（TDE）框架。虽然时间延迟的估计框架可以通过估算不确定的机器人动力学和相互作用力来从状态和控制工作的近期数据中估算不确定的机器人动力学和相互作用力来准确建模机器人动力学，但外部循环中的第二阶切换控制法可以在时间延迟估计的情况下提供稳健性（TDE）由于操纵器动力学的近似而引起的误差。因此，拟议的控制定律试图在机器人最终效应变量之间建立所需的阻抗模型，即在存在不确定性的情况下，在遇到平滑接触力和自由运动期间的力和运动。使用拟议的控制器以及收敛分析的两个链接操纵器的仿真结果显示出验证命题。