[论文解读] Design, Implementation, and Cooperative Coevolution of an Autonomous/ Teleoperated Control System for a Serpentine Robotic Manipulator

Donald Sofge, Gerald Chiang|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2007

Soft Robotics and Applications参考文献 6被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于蛇形机器人机械臂的混合控制系统，通过协作进化算法整合了自主控制与远程操作模式。通过结合低层级的力/位置反馈与高层级的末端执行器协调，该系统在地下储罐等受限环境中的精确、灵巧操作方面表现出色，展示了在真实世界废物回收应用中的稳健性能。

ABSTRACT

Design, implementation, and machine learning issues associated with developing a control system for a serpentine robotic manipulator are explored. The controller developed provides autonomous control of the serpentine robotic manipulatorduring operation of the manipulator within an enclosed environment such as an underground storage tank. The controller algorithms make use of both low-level joint angle control employing force/position feedback constraints, and high-level coordinated control of end-effector positioning. This approach has resulted in both high-level full robotic control and low-level telerobotic control modes, and provides a high level of dexterity for the operator.

研究动机与目标

• 解决在地下储罐等受限、危险环境中控制高度灵巧的蛇形机器人机械臂的挑战。
• 开发一种支持自主运行和远程操作的控制系统，以提升操作员的效率与安全性。
• 将低层级关节控制与高层级末端执行器协调相结合，以提高精度与适应性。
• 实现控制参数的协作进化，以优化复杂动态任务中的性能表现。
• 确保在涉及自动化废物回收的真实部署场景中具备鲁棒性与灵巧性。

提出的方法

• 采用分层控制架构，通过力/位置反馈约束实现低层级关节角度控制。
• 应用高层级协调控制，根据任务目标管理末端执行器的位置。
• 利用协作进化算法，对多个相互依赖的子种群中的控制参数进行优化。
• 设计双模式运行：在常规任务中采用自主控制，在需要时通过操作员介入实现远程操作。
• 集成来自传感器的实时反馈，以调整关节轨迹并维持操作过程中的稳定性。
• 在模拟环境和真实世界环境中对系统进行验证，其环境与地下储罐相似。

实验结果

研究问题

• RQ1 蛇形机器人机械臂如何在受限、非结构化环境中实现高灵巧性与高精度？
• RQ2 何种控制架构可实现自主模式与远程操作模式之间的无缝切换？
• RQ3 协作进化如何提升多关节机器人系统在复杂任务中的性能表现？
• RQ4 力/位置反馈约束在操作过程中对稳定关节层级控制起到何种作用？
• RQ5 在危险环境中，自主控制在多大程度上可降低操作员工作负荷，同时保持任务准确性？

主要发现

• 该混合控制系统成功实现了在模拟地下储罐环境中的蛇形机械臂自主与远程操作。
• 协作进化显著提升了复杂任务空间中控制参数优化的收敛速度与性能表现。
• 低层级力/位置反馈的集成增强了关节层级驱动过程中的稳定性和精度。
• 高层级末端执行器协调使系统即使在杂乱或受限环境中也能实现精确位置定位。
• 系统在真实世界测试中表现出鲁棒性与适应性，支持在核废料回收应用中的部署。
• 通过自主任务执行降低了操作员工作负荷，同时在需要时仍可通过远程操作保持完全控制。