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.


翻译:数十年来,对机器人操纵器的部队调制进行了广泛研究,但是,由于缺乏准确的互动互动模拟模型和薄弱的绩效保障,在安全关键应用中尚未普遍使用该模型,因为缺乏准确的互动接触模型和薄弱的绩效保障 -- -- 其中很大一部分涉及互动力量的调制,该研究为同时对操纵器和软环境之间的相互作用进行轨迹优化和武力控制提供了一个高级别框架,这种环境容易发生外部干扰;考虑到缓解摩擦和正常接触力的动态,同时将软接触模型和操纵器的动态纳入一个轨道优化器,以产生所需的运动和武力配置;根据多动感动替代方向方法(ADMMM)采用了一个有限的优化框架,以高效生成实时最佳控制投入和高维度状态的交互式互动力量;对模型性能进行实验性调整,同时使用卡斯特尔空间力量控制模式的已知物质特性;结果显示对地面真实性和实时模式的接触力和运动力进行对比,以可有效范围的医疗动动动动动动动动动动动动动运动;对机的机动性机动性机动性机动性机能进行升级和机动性机动性机动性机动性机动性调整。

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