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CEER:作为分层人形机器人移动操作统一接口的柔顺末端执行器与根部控制
CEER: Compliant End-Effector and Root Control as a Unified Interface for Hierarchical Humanoid Loco-Manipulation

作者: Xinyuan Luo, Xingrui Chen, Xunjian Yin 等9人
arXiv: 2605.19981v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
人形机器人在移动性能方面已取得显著进展,但涉及丰富接触和长期操控的任务仍是主要瓶颈。操控本质上是接触密集型的,需要柔顺全身控制以实现稳定交互,同时其多样性和长期任务特性更倾向于模块化、与规划器兼容的接口,而非关节空间跟踪。我们提出CEER——一种面向层次化规划框架中模块化人形移动操控的柔顺末端-根控制抽象。CEER能够基于根运动指令和末端执行器姿态目标定义的可解释任务空间实现柔顺感知全身控制,并支持与异构高层规划器的即插即用集成。采用教师-学生框架将通用运动跟踪控制器蒸馏为仅消耗末端-根指令的低层策略。我们进一步构建了通过末端-根接口集成异构规划器和任务模块的层次化系统,无需重新训练底层全身策略即可实现多样化操控任务。仿真与硬件实验表明,相比基线方法,末端执行器跟踪精度达3.3厘米且加加速度显著降低,遥操作下实现稳定接触丰富操控,在房间尺度环境中的模拟单物体移动操控任务成功率达70%。这些结果表明,柔顺末端-根控制为人形移动操控提供了实用抽象,能够实现多样化技能的模块化与可扩展集成。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 人形机器人在**运动控制(locomotion)** 方面已取得显著进展,但**接触丰富且长时域操作(contact-rich and long-horizon manipulation)** 仍是主要瓶颈 - 操作任务本质上是接触丰富的,需要**顺从的全身控制(compliant whole-body control)** 以实现稳定交互,而现有方法多依赖关节空间跟踪,难以满足模块化、规划器兼容的需求
🔧 核心方法
- 提出**CEER框架**,一种顺从的末端执行器-根部(EE-root)控制抽象,位于**层级规划框架(hierarchical planning framework)** 中 - 在由**根部运动命令(root motion commands)** 和**末端执行器姿态目标(end-effector pose targets)** 定义的可解释任务空间中,实现**顺从感知的全身控制(compliance-aware whole-body control)** - 采用**教师-学生(teacher-student)** 框架,将通用运动跟踪控制器蒸馏为仅消耗EE-root命令的低层策略,支持即插即用集成异构高层规划器
💡 核心创新
- **统一接口设计**:首次将**末端执行器-根部(EE-root)** 控制抽象作为人形机器人**运动-操作(loco-manipulation)** 的通用接口,支持与不同类型的任务规划器无缝集成 - **层级解耦**:通过EE-root接口实现高层规划与底层全身控制的解耦,无需重新训练底层策略即可执行多样化操作任务 - **顺从性提升**:相比基线方法,在保持高跟踪精度(3.3 cm末端执行器误差)的同时,显著降低**急动度(jerk)**,提升接触操作稳定性
🏆 总体贡献
- 为**人形机器人操作(humanoid manipulation)** 提供了一种实用的**模块化可扩展范式(modular and scalable paradigm)**,通过EE-root接口整合多种技能 - 在仿真和实际机器人上验证了有效性:模拟单物体操作成功率70%,遥操作稳定接触任务 - 推动了**分层控制(hierarchical control)** 在人形机器人操作领域的应用,为实现复杂长时域操作任务奠定了架构基础