[论文解读] Safe Consensus of Cooperative Manipulation with Hierarchical Event-Triggered Control Barrier Functions

Simiao Zhuang, Bingkun Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2026

Distributed Control Multi-Agent Systems被引用 0

一句话总结

本文引入分布式分层事件触发控制屏障函数（CBF）框架，以在合作操控中实现安全一致的共识，并在两臂法兰克夹爪上通过真实硬件与仿真验证。

ABSTRACT

Cooperative transport and manipulation of heavy or bulky payloads by multiple manipulators requires coordinated formation tracking, while simultaneously enforcing strict safety constraints in varying environments with limited communication and real-time computation budgets. This paper presents a distributed control framework that achieves consensus coordination with safety guarantees via hierarchical event-triggered control barrier functions (CBFs). We first develop a consensus-based protocol that relies solely on local neighbor information to enforce both translational and rotational consistency in task space. Building on this coordination layer, we propose a three-level hierarchical event-triggered safety architecture with CBFs, which is integrated with a risk-aware leader selection and smooth switching strategy to reduce online computation. The proposed approach is validated through real-world hardware experiments using two Franka manipulators operating with static obstacles, as well as comprehensive simulations demonstrating scalable multi-arm cooperation with dynamic obstacles. Results demonstrate higher precision cooperation under strict safety constraints, achieving substantially reduced computational cost and communication frequency compared to baseline methods.

研究动机与目标

• 在安全约束与有限通信条件下，推动安全、保持队形一致的协作操控。
• 开发一个仅使用局部邻域信息进行任务空间协调的分布式共识协议。
• 提出三层分层事件触发安全架构，结合风险感知的领袖切换以降低在线计算。

提出的方法

• 在任务空间中使用局部邻居信息强制执行平移与旋转的一致性的共识协议。
• 通过反馈线性化将机械手动力学线性化为任务空间中的二阶积分器；映射到分布式控制输入u_i。
• 引入三层分层事件触发安全框架（环境、星际/跨主体、内在）使用控制屏障函数。
• 实现阻尼最小二乘逆运动学，在奇异性附近鲁棒地计算关节加速度。
• 使用领袖选择机制和切换策略在确保可行性的同时管理环境安全约束（需要时通过Clarke次梯度的CBF）。

实验结果

研究问题

• RQ1 分布式多-agent系统协同如何在协作操控中实现渐近位置一致性且旋转不一致性有界？
• RQ2 层级事件触发CBF是否能在关节驱动和通信约束下保证安全集合的前向不变量性？
• RQ3 什么机制（领袖切换、零空间调控）能在有动态环境时实现安全、可扩展的操控？
• RQ4 与基线分布式CBF以及集中式NMPC/MPPI相比，在安全性、精度、计算和通信方面的差异如何？

主要发现

• 提出的HET-CBF框架在两臂法兰克夹爪的实验中，在安全约束下实现了比基线更高的协作精度。
• 与基线方法相比，该方法降低了在线计算和通信频率。
• 事件触发的安全方法仅在需要时激活约束，降低了星际/跨主体通信。
• 阻尼最小二乘逆运动学在关节空间控制的奇异性附近实现稳定。
• 具备安全保障的领袖切换在领袖切换过程中保持可行性。
• 真实世界实验与仿真表明在障碍丰富环境中的多臂协作具有可扩展性。