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振动丰富液压机械臂无传感器力矩预测的频率感知分解学习
Frequency-aware Decomposition Learning for Sensorless Wrench Forecasting on a Vibration-rich Hydraulic Manipulator

作者: Hyeonbeen Lee, Min-Jae Jung, Tae-Kyeong Yeu 等6人
arXiv: 2604.12905v1
分类: cs.RO, cs.LG
📝 论文摘要
力和力矩感知对于机器人与环境交互至关重要,但物理力/力矩传感器存在尺寸、成本和易损性方面的限制。为缓解这一问题,近期研究开始通过机器人内部状态无传感器估计力/力矩。现有方法通常针对相对缓慢的交互,而涉及快速交互的任务(如打磨)可能引发任务关键的高频振动,此类机器人场景下的估计研究仍显不足。为填补这一空白,我们提出频率感知分解网络,通过本体感知历史数据对富含振动的力矩进行短期预测。该网络通过非对称确定性头和概率头预测频谱分解的力矩,将高频残差建模为可学习的条件分布。该模型进一步引入频率感知机制,通过可学习滤波自适应增强输入频谱,并对输出施加频段先验约束。我们在大型开源机器人数据集上预训练频率感知分解网络,并将习得的本体感知-力矩表征迁移至下游任务。基于六自由度液压机械臂的真实打磨挖掘数据,在延迟估计设定下,该网络在高频段的估计性能优于基线估计器和预测器,在低频段仍保持竞争力。迁移学习带来额外性能提升,表明大规模预训练与迁移学习在机器人力矩估计领域具有应用潜力。代码与数据将在论文录用后公开。

📊 核心分析

🎯 研究动机
该论文旨在解决振动丰富的液压机械臂在快速交互任务(如研磨)中的无传感器力矩预测问题。研究背景是: - 物理力/力矩传感器存在尺寸、成本和易碎性限制 - 现有无传感器估计方法主要针对缓慢交互,对任务关键的高频振动场景研究不足 - 液压机械臂在研磨挖掘等任务中会产生高频振动,影响力矩估计精度
🔧 核心方法
论文提出了频率感知分解网络(Frequency-aware Decomposition Network, FDN),具体包括: - 采用谱分解(spectral decomposition)方法预测力矩 - 设计非对称确定性(deterministic)和概率性(probabilistic)头部分别建模低频和高频分量 - 将高频残差建模为学习的条件分布(conditional distribution) - 引入频率感知机制:通过学习滤波(learned filtering)自适应增强输入频谱,并对输出施加频带先验(frequency-band prior) - 采用大规模开源机器人数据集进行预训练,并将学习到的本体感知-力矩表示迁移到下游任务
💡 核心创新
论文的核心创新点包括: - 首次针对振动丰富的液压机械臂提出短期力矩预测问题,填补了快速交互场景下无传感器力矩估计的研究空白 - 提出频率感知分解网络(FDN),通过谱分解和非对称头设计,显式分离并分别建模力矩的低频确定性分量和高频概率性残差 - 创新性地将频率感知机制融入网络设计,通过学习滤波和频带先验实现频谱自适应增强,专门针对高频振动场景优化 - 首次将大规模预训练(pretraining)和迁移学习(transfer learning)范式引入机器人力矩估计领域,验证了跨领域表示学习的潜力
🏆 总体贡献
论文对该领域的整体贡献是: - 提出了专门针对高频振动场景的无传感器力矩预测新方法FDN,在真实世界液压机械臂研磨挖掘数据上验证了有效性 - 在延迟估计设置下,FDN在高频波段优于基线估计器和预测器,在低频波段保持竞争力 - 证明了迁移学习能带来额外性能提升,为机器人力矩估计开辟了大规模预训练和迁移学习的新研究方向 - 将公开代码和数据,促进该领域研究发展