需要强大的动态互动才能与人类一起在日常环境中移动机器人。优化和学习方法已用于模仿和再现人类运动。但是，它们通常不健壮，其概括是有限的。这项工作提出了用于机器人操纵器的层次控制体系结构，并提供了在未知相互作用动力学期间重现类似人类运动的功能。我们的结果表明，复制的最终效应轨迹可以保留通过运动捕获系统记录的初始人类运动的主要特征，并且对外部扰动具有鲁棒性。数据表明，由于硬件的物理限制无法达到人类运动中记录的相同速度，因此很难复制一些详细的运动。然而，可以通过使用更好的硬件来解决这些技术问题，我们提出的算法仍然可以应用于模仿动作。

由于事件的范围有限，在复杂且高度可变的环境中，避免路径计划和碰撞是具有挑战性的。在文献中，有多种基于模型和学习的方法需要有效地部署大量的计算资源，并且可能具有有限的一般性。我们提出了一种基于全球稳定的被动控制器的计划算法，该算法可以在挑战性的环境条件下使用有限的计算资源计划平滑轨迹。该体系结构将最近提出的分形阻抗控制器与有限时间不变性区域结合在一起。由于该方法基于阻抗控制器，因此它也可以直接用作力/扭矩控制器。我们在模拟中验证了我们的方法，以通过发放Via-toints的发行及其对低带宽反馈的稳健性来分析互动导航在挑战凹域中的能力。使用11个代理的群模拟验证了所提出方法的可扩展性。我们已经在自动式轮式平台上进行了硬件实验，以验证与动态剂（即人和机器人）相互作用的平滑度和稳健性。与依赖数字优化的其他方法相比，所提出的本地规划师的计算复杂性可以通过低功率微控制器的部署降低能源消耗。

对控制框架的兴趣越来越大，能够将机器人从工业笼子转移到非结构化环境并与人类共存。尽管某些特定应用（例如，医学机器人技术）有了显着改善，但仍然需要一个一般控制框架来改善鲁棒性和运动动力学。被动控制者在这个方向上显示出令人鼓舞的结果。但是，他们通常依靠虚拟能源储罐，只要它们不耗尽能量，就可以保证被动性。在本文中，提出了一个分形吸引子来实施可变的阻抗控制器，该控制器可以保留不依赖能箱的无源性。控制器使用渐近稳定电位场在所需状态周围生成一个分形吸引子，从而使控制器稳健地对离散化和数值集成误差。结果证明它可以在相互作用过程中准确跟踪轨迹和最终效应力。因此，这些属性使控制器非常适合需要在最终效应器上进行鲁棒动态相互作用的应用。

医疗机器人技术可以帮助改善和扩大医疗服务的影响力。医疗机器人的一个主要挑战是机器人与患者之间的复杂物理相互作用是必须安全的。这项工作介绍了基于医疗应用中分形阻抗控制（FIC）的最近引入的控制体系结构的初步评估。部署的FIC体系结构在主机和复制机器人之间延迟很强。它可以在接纳和阻抗行为之间在线切换，并且与非结构化环境的互动是强大的。我们的实验分析了三种情况：远程手术，康复和远程超声扫描。实验不需要对机器人调整进行任何调整，这在操作员没有调整控制器所需的工程背景的医疗应用中至关重要。我们的结果表明，可以使用手术刀进行切割机器人，进行超声扫描并进行远程职业治疗。但是，我们的实验还强调了需要更好的机器人实施例，以精确控制3D动态任务中的系统。

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.

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。

机器人远程操作将使我们能够在危险或偏远的环境中执行复杂的操纵任务，例如行星勘探或核退役所需的。这项工作提出了使用被动分形阻抗控制器（FIC）的新型远程注射架构，该结构并不依赖于主动粘性组件以保证稳定性。与传统的阻抗控制器在理想条件下（无延迟和最大通信带宽）相比，我们提出的方法在交互作用方面产生了更高的透明度，并在我们的远程注射测试方案中证明了卓越的敏捷性和能力。我们还以高达1 s的极端延迟和通信带宽低至10 Hz的极端延迟来验证其性能。所有结果在具有挑战性的条件下使用拟议的控制器时，无论操作员的专业知识如何，所有结果都可以验证一致的稳定性。

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。

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。

模型预测控制（MPC）方案已经证明了它们在控制高自由度（DOF）复杂机器人系统方面的效率。但是，它们的计算成本很高，更新速度约为数十万。这种相对较慢的更新速率阻碍了这种系统稳定的触觉远程操作的可能性，因为缓慢的反馈回路可能会导致对操作员的不稳定性和透明度的丧失。这项工作为MPC控制的复杂机器人系统的透明远程操作提供了一个新颖的框架。特别是，我们采用反馈MPC方法并利用其结构来以快速速率计算运营商输入，该快速速率与MPC循环本身的更新率无关。我们在移动操纵器平台上演示了我们的框架，并表明它可以显着提高触觉远程操作的透明度和稳定性。我们还强调，所提出的反馈结构是令人满意的，并且不违反最佳控制问题中定义的任何约束。据我们所知，这项工作是使用全身MPC框架的双边操纵器的双边远程操作的首次实现。

可以使用几种技术来解决沿规定路径的最佳运动计划，但是大多数技术没有考虑到与环境接触时最终效用器所施加的扳手。当无法获得环境的动态模型时，就不存在合并方法来考虑相互作用的效果。无论要优化的特定性能指数如何，本文都提出了一种策略，将外部扳手包括在最佳计划算法中，考虑到任务规格。此过程是针对最小时间轨迹实例化的，并在接纳控制下执行交互任务的真实机器人进行了验证。结果证明，最终效应器扳手的包含会影响计划的轨迹，实际上改变了操纵器的动态能力。

由于机器人动力学中的固有非线性，腿部机器人全身动作的在线计划具有挑战性。在这项工作中，我们提出了一个非线性MPC框架，该框架可以通过有效利用机器人动力学结构来在线生成全身轨迹。Biconmp用于在真正的四倍机器人上生成各种环状步态，其性能在不同的地形上进行了评估，对抗不同步态之间的不可预见的推动力并在线过渡。此外，提出了双孔在机器人上产生非平凡无环的全身动态运动的能力。同样的方法也被用来在人体机器人（TALOS）上产生MPC的各种动态运动，并在模拟中产生另一个四倍的机器人（Anymal）。最后，报告并讨论了对计划范围和频率对非线性MPC框架的影响的广泛经验分析。

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。

在处理多肢移动操纵器的触觉耳机时，尚未得到适当地解决从触觉设备和远程机器人之间的通信链路产生的稳定效果的问题。在这项工作中，我们提出了一种被动控制架构来触觉地垂直腿移动操纵器，同时在主设备和从控制器中存在延迟和频率不匹配的存在下保持稳定。在主侧，提出了对控制输入的离散时间能调制。在从侧，被动约束包括在基于优化的全身控制器中以满足能量限制。混合龙动力遥气局方案允许人工操作者在姿势模式下远程操作机器人的末端效应器，以及其基运动模式的基本速度。由此产生的控制架构在四足机器人上演示，具有添加到网络的人为延迟。

本文提出了一个层次结构框架，用于计划和控制涉及使用完全插入的多指机器人手的掌握变化的刚性对象的操纵。尽管该框架可以应用于一般的灵巧操作，但我们专注于对手持操作的更复杂的定义，在该目标下，目标姿势必须达到适合使用该对象作为工具的掌握。高级别的计划者确定对象轨迹以及掌握更改，即添加，卸下或滑动手指，由低级控制器执行。尽管基于学习的策略可以适应变化，但GRASP序列是在线计划的，但用于对象跟踪和接触力控制的轨迹规划师和低级控制器仅基于模型，以稳健地实现该计划。通过将有关问题的物理和低级控制器的知识注入GRASP规划师中，它将学会成功生成类似于基于模型的优化方法生成的grasps，从而消除了此类方法的高计算成本到该方法的高度计算成本到解释变化。通过在物理模拟中进行实验，以实现现实工具使用方案，我们将在不同的工具使用任务和灵活的手模型上展示了方法的成功。此外，我们表明，与基于模型的方法相比，这种混合方法为轨迹和任务变化提供了更大的鲁棒性。

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.

我们解决了使四足机器人能够使用强化学习在现实世界中执行精确的射击技巧的问题。开发算法使腿部机器人能够向给定的目标射击足球，这是一个具有挑战性的问题，它将机器人运动控制和计划结合到一项任务中。为了解决这个问题，我们需要考虑控制动态腿部机器人期间的动态限制和运动稳定性。此外，我们需要考虑运动计划，以在地面上射击难以模拟的可变形球，并不确定摩擦到所需的位置。在本文中，我们提出了一个层次结构框架，该框架利用深厚的强化学习来训练（a）强大的运动控制政策，可以跟踪任意动议，以及（b）一项计划政策，以决定所需的踢球运动将足球射击到目标。我们将提议的框架部署在A1四足动物机器人上，使其能够将球准确地射击到现实世界中的随机目标。

Teideration为人类运营商提供了一种方法，以引导机器人在完全自治挑战或需要直接人类干预的情况下引导机器人。它也可以是教授机器人的重要工具，以便稍后实现自主行为。协同机器人武器和虚拟现实（VR）设备的可用性增加了充足的机会，用于开发新颖的无电术方法。由于机器人武器通常与人的武器相比，因此实时地将人类动作映射到机器人并不琐碎。此外，人类操作员可以将机器人手臂转向奇点或其工作空间限制，这可能导致不希望的行为。这进一步强调了多个机器人的编排。在本文中，我们提出了一个针对多臂有效载荷操作的VR接口，其可以与实时输入运动密切匹配。允许用户操纵有效载荷，而不是将它们的动作映射到各个武器，我们能够同时引导多个协作臂。通过释放单一的自由度，并通过使用本地优化方法，我们可以提高每个ARM的可操纵性指数，这反过来让我们避免运动奇点和工作空间限制。我们将我们的方法应用于预定义的轨迹以及不同机器人臂上的实时遥通，并在终端效应器位置误差和相关联合运动指标方面进行比较。

该论文提出了一个计划者，以使用质心动力学和人形机器人的完整运动学来产生步行轨迹。机器人与行走表面之间的相互作用是通过新条件明确建模的，即\ emph {动态互补性约束}。该方法不需要预定义的接触序列，并自动生成脚步。我们通过一组任务来表征机器人控制目标，并通过解决最佳控制问题来解决它。我们表明，可以通过指定最小的参考集，例如恒定所需的质量速度中心和地面上的参考点来自动实现行走运动。此外，我们分析了接触模型选择如何影响计算时间。我们通过为人形机器人ICUB生成和测试步行轨迹来验证该方法。

本文提出了一种实时模型预测控制（MPC）方案，以使用有限时间范围内的机器人执行多个任务。在工业机器人应用中，我们必须仔细考虑避免关节位置，速度和扭矩极限的多个限制。此外，无奇异性和平稳的动作需要连续，安全地执行任务。我们没有制定非线性MPC问题，而是使用沿层次控制器生成的名义轨迹线性线性的运动和动态模型来设计线性MPC问题。这些线性MPC问题可通过使用二次编程来解决；因此，我们大大减少了提出的MPC框架的计算时间，因此所得更新频率高于1 kHz。与基于操作空间控制（OSC）的基线相比，我们提出的MPC框架在减少任务跟踪错误方面更有效。我们在数值模拟和使用工业操纵器的实际实验中验证方法。更具体地说，我们将方法部署在两个实用方案中用于机器人物流：1）控制携带重载的机器人，同时考虑扭矩限制，以及2）控制最终效果，同时避免奇异性。