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基于在线惯性估计与凸力旋量优化的工业双机械臂箱子搬运
Industrial Dual-Arm Box Handling via Online Inertial Estimation and Convex Wrench Optimization

作者: Kenzhi Iskandar Wong, Lin Yang, Qian Ying Lee 等4人
arXiv: 2605.22021v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
工业机器人对物体的操作通常涉及盒子和包装箱,其质量和质心位置无法事先获知。这些不确定性会影响稳定抬升所需的力-力矩平衡,若接触力调控不当可能导致滑动、物体掉落、方向偏差或过度挤压。本文提出了一种面向惯性参数未知物体的摩擦感知双臂箱体操作框架。该方法通过测量接触力在线估计物体质量和质心位置,并在椭球摩擦极限曲面约束下,通过二阶锥规划(SOCP)计算摩擦可行的接触力和扭转力矩。框架还包含离线轨迹优化阶段,以减少几何约束下非期望的物体-环境接触。通过将摩擦可行性作为硬约束,并在可行域内最小化接触力需求,该框架无需将防滑和防过度挤压作为独立调优目标,即可实现稳定抬升。在真实双臂机器人系统上针对不同质心配置的实验表明,该方法能够在保持稳定摩擦接触的同时抬升惯性参数未知的物体。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 解决**工业双臂机器人** 在操作未知惯性属性(质量、质心)的箱子时,因不确定性导致的**力-力矩平衡** 不稳定问题 - 现有方法通常需要已知物体惯性参数,或单独调节防滑与防过度挤压目标,导致调节复杂且易出现**滑动、掉落、方向偏差或过度挤压** 等异常 - 研究背景:工业物流中箱体包装的**惯性参数** 无法预先获得,要求机器人具备自适应能力以实现稳定抓取搬运
🔧 核心方法
- 提出**在线惯性估计模块**,从实时测量的**接触力(wrench)** 中在线估计物体的**质量(mass)** 和**质心(center of mass)** - 构建**凸优化问题**,通过**二阶锥规划(Second-Order Cone Program, SOCP)** 在**椭球形摩擦极限曲面(ellipsoidal friction-limit-surface)** 约束下,计算摩擦可行的接触力和扭矩 - 包含**离线轨迹细化(offline trajectory refinement)** 阶段,用于减少几何约束下不必要的物体-环境接触 - 将**摩擦可行性(friction feasibility)** 作为硬约束,并在可行域内最小化接触力,避免将防滑和防过度挤压作为分离调节的独立目标
💡 核心创新
- **首创性地** 在线估计未知惯性参数并同时进行摩擦可行接触力优化,无需预先测量质量或质心 - 使用**椭球形摩擦极限曲面** 替代传统近似(如线性化或锥形),更准确地描述接触面的**摩擦各向异性**,提升优化精度 - 将**摩擦可行性** 作为优化问题的硬约束(而非软惩罚),消除手动调节防滑和防过度挤压平衡参数的需求,实现自适应稳定提升 - 结合**离线轨迹细化** 减少意外接触,增强系统对复杂几何环境的鲁棒性
🏆 总体贡献
- 提供了一个完整的**双臂箱子操作框架**,能够在物体惯性未知时实现稳定无滑移的搬运 - 在真实双臂机器人系统上实验验证,证明方法在不同质心配置下均能保持稳定的摩擦接触,具有实用价值 - 为工业机器人操作提供了**凸优化+在线估计** 的新范式,降低了系统对先验知识的依赖,推动了**摩擦感知抓取(friction-aware grasping)** 的实际应用