Soft robot manipulators have the potential for deployment in delicate environments to perform complex manipulation tasks. However, existing obstacle detection and avoidance methods do not consider limits on the forces that manipulators may exert upon contact with delicate obstacles. This work introduces a framework that maps force safety criteria from task space (i.e. positions along the robot's body) to configuration space (i.e. the robot's joint angles) and enables real-time force safety detection. We incorporate limits on allowable environmental contact forces for given task-space obstacles, and map them into configuration space (C-space) through the manipulator's forward kinematics. This formulation ensures that configurations classified as safe are provably below the maximum force thresholds, thereby allowing us to determine force-safe configurations of the soft robot manipulator in real-time. We validate our approach in simulation and hardware experiments on a two-segment pneumatic soft robot manipulator. Results demonstrate that the proposed method accurately detects force safety during interactions with deformable obstacles, thereby laying the foundation for real-time safe planning of soft manipulators in delicate, cluttered environments.


翻译:软体机器人操作臂具有在精细环境中部署以执行复杂操作任务的潜力。然而,现有的障碍物检测与规避方法未考虑操作臂与精细障碍物接触时可能施加的力限制。本研究提出一种框架,将力安全准则从任务空间(即机器人身体沿线的位置)映射到构型空间(即机器人的关节角度),并实现实时的力安全检测。我们针对给定任务空间障碍物引入了允许环境接触力的限制,并通过操作臂的正向运动学将其映射到构型空间(C空间)。该公式确保被分类为安全的构型可证明低于最大力阈值,从而允许我们实时确定软体机器人操作臂的力安全构型。我们在两段气动软体机器人操作臂上通过仿真和硬件实验验证了所提方法。结果表明,该方法在与可变形障碍物交互过程中能准确检测力安全性,从而为软体操作臂在精细、杂乱环境中的实时安全规划奠定基础。

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