In advanced manufacturing, strict safety guarantees are required to allow humans and robots to work together in a shared workspace. One of the challenges in this application field is the variety and unpredictability of human behavior, leading to potential dangers for human coworkers. This paper presents a novel control framework by adopting safety-critical control and uncertainty estimation for human-robot collaboration. Additionally, to select the shortest path during collaboration, a novel quadratic penalty method is presented. The innovation of the proposed approach is that the proposed controller will prevent the robot from violating any safety constraints even in cases where humans move accidentally in a collaboration task. This is implemented by the combination of a time-varying integral barrier Lyapunov function (TVIBLF) and an adaptive exponential control barrier function (AECBF) to achieve a flexible mode switch between path tracking and collision avoidance with guaranteed closed-loop system stability. The performance of our approach is demonstrated in simulation studies on a 7-DOF robot manipulator. Additionally, a comparison between the tasks involving static and dynamic targets is provided.


翻译:在先进制造中,要求严格的安全保证,以使人类和机器人可以在共享工作区内协同工作。该应用领域的挑战之一是人类行为的多样性和不可预测性,可能对人类同事构成潜在危险。本文提出了一种新颖的控制框架,采用安全关键控制和不确定性估计来实现人机协作。此外,为了在协作过程中选择最短路径,提出了一种新颖的二次惩罚方法。所提出的方法的创新之处在于,即使在人类在协作任务中意外移动的情况下,所提出的控制器也会防止机器人违反任何安全约束。这是通过将时变积分界 Lyapunov 函数 (TVIBLF) 和自适应指数控制界函数(AECBF)相结合来实现的,以实现路径跟踪和碰撞回避之间的灵活模式切换,并保证闭环系统的稳定性。本文在 7 个自由度机器人操作器的仿真研究中展示了我们方法的性能。此外,还提供了包括静态和动态目标任务之间的比较。

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