[论文解读] Feedback Control of the Pusher-Slider System: A Story of Hybrid and Underactuated Contact Dynamics

Francois R. Hogan, Alberto Rodríguez|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2016

Robot Manipulation and Learning被引用 26

一句话总结

该论文提出了一种基于模型预测控制（MPC）与整数规划相结合的实时反馈控制器，用于推杆-滑块系统，以处理混合接触动力学和摩擦锥约束。家族模式（FOM）方法加速了在线优化，实现了在工业机器人臂上的稳定轨迹跟踪与实时重规划，仿真与实验验证表明其跟踪精度优于10mm。

ABSTRACT

This paper investigates real-time control strategies for dynamical systems that involve frictional contact interactions. Hybridness and underactuation are key characteristics of these systems that complicate the design of feedback controllers. In this research, we examine and test a novel feedback controller design on a planar pushing system, where the purpose is to control the motion of a sliding object on a flat surface using a point robotic pusher. The pusher-slider is a simple dynamical system that retains many of the challenges that are typical of robotic manipulation tasks. Our results show that a model predictive control approach used in tandem with integer programming offers a powerful solution to capture the dynamic constraints associated with the friction cone as well as the hybrid nature of the contact. In order to achieve real-time control, simplifications are proposed to speed up the integer program. The concept of Family of Modes (FOM) is introduced to solve an online convex optimization problem by selecting a set of contact mode schedules that spans a large set of dynamic behaviors that can occur during the prediction horizon. The controller design is applied to stabilize the motion of a sliding object about a nominal trajectory, and to re-plan its trajectory in real-time to follow a moving target. We validate the controller design through numerical simulations and experimental results on an industrial ABB IRB 120 robotic arm.

研究动机与目标

• 开发一种适用于涉及摩擦接触的机器人操作的通用反馈控制方法，该方法在当前系统中大多仍为开环控制。
• 解决在接触丰富的操作中，混合动力学（接触模式间不连续转换）与欠驱动性（摩擦锥约束）带来的挑战。
• 通过家族模式（FOM）框架加速混合整数规划的求解，实现实时控制。
• 在仅使用单一点接触的情况下，稳定轨迹附近运动并实时重新规划以跟踪移动目标。
• 在具备高精度运动跟踪能力的真实工业机器人臂上验证该控制器。

提出的方法

• 将推杆-滑块系统建模为具有不同接触模式的混合、欠驱动动力学系统：分离、滑动与多方向滑动。
• 采用具有有限预测时域的模型预测控制（MPC），在满足摩擦锥约束的前提下优化控制输入。
• 采用混合整数二次规划（MIQP）显式建模离散接触模式转换并强制执行摩擦锥约束。
• 引入家族模式（FOM）框架，预先识别关键模式序列，通过在一组代表性接触模式调度上求解凸优化问题，显著降低在线计算负担。
• 在每个时间步重新初始化预测时域，根据当前状态与目标位置更新标称轨迹。
• 使用Vicon动作捕捉系统提供实时位姿反馈，实现对ABB IRB 120机器人臂的闭环控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为具有混合接触动力学与欠驱动特性的机器人操作系统有效设计反馈控制？
• RQ2 混合整数规划能否在实时MPC中高效用于建模摩擦锥约束与接触模式转换？
• RQ3 如何加速在线优化以实现实时控制，特别是在具有复杂接触动力学的系统中？
• RQ4 家族模式（FOM）方法能否推广至包含物理约束的真实机器人推动物理任务？
• RQ5 单点推动物理系统在多大程度上可实现对滑动物体的稳定控制与实时轨迹重规划？

主要发现

• FOM方法成功降低了在线MPC与整数规划的计算负载，使该方法能够在工业机器人臂上实现实时运行。
• 控制器在仿真与实验中均实现了对滑块运动在标称轨迹附近的稳定控制，跟踪误差小于10mm。
• 系统成功按顺序跟踪了三个移动目标，收敛至每个目标位置的误差在0.01m以内。
• 控制器选择了直观的控制策略——倾向于滑动以旋转物体，切换至粘着状态以实现直线推动——与人类操作行为高度一致。
• 尽管存在未建模动态（如控制延迟、摩擦不确定性），反馈控制器仍保持鲁棒性，并能将系统引导至期望轨迹。
• FOM方法可扩展至涉及多点接触或外部灵巧性的更复杂操作任务，如演示所示的指间操作潜力。