可变形线性物体操控的规划与控制

《IEEE Transactions on Automation Science and Engineering》：Planning and Control for Deformable Linear Object Manipulation

可变形线性物体操控中，结合全局规划与实时控制的安全高效框架。采用标准规划工具将DLO建模为刚性链节，利用控制壁垒函数实现实时避障与结构完整性保持，结合基于位置的动力技术补偿物理参数估计误差，在复杂障碍场景中验证成功率100%，规划效率显著提升。

　　

摘要：

操纵可变形的线性物体（如金属丝、电缆和绳索）是一项常见但具有挑战性的任务，因为这些物体具有高度的自由度和复杂的变形行为，尤其是在存在障碍物的环境中。现有的局部控制方法虽然高效，但在复杂场景中容易失效；而精确的全局规划器则计算量大且难以部署。本文提出了一种高效、易于部署的框架，用于使用移动操纵器实现无碰撞的线性物体操纵。我们展示了利用标准规划工具进行高维线性物体操纵的有效性，无需定制规划器或庞大的数据驱动模型。我们的方法将现成的全局规划器与实时局部控制器相结合。全局规划器将线性物体近似为一系列通过球形关节连接的刚性连杆，从而实现快速路径规划，而无需特定问题的规划器或大型数据集。局部控制器采用控制障碍函数（CBFs）来强制执行安全约束、保持线性物体的完整性、防止过载以及处理障碍物避让。它通过使用基于状态的先进动力学技术来补偿建模误差，该技术能够近似物理属性（如杨氏模量和剪切模量）。我们通过广泛的仿真和实际演示验证了该框架的有效性。在包括帐篷杆运输、走廊导航以及需要不同刚度任务的复杂障碍物场景中，我们的方法在数千次试验中实现了100%的成功率，并且与最先进的技术相比，规划时间显著缩短。实际实验包括使用移动操纵器运输帐篷杆和绳索。我们分享了基于ROS的实现方式，以便在各种应用中推广使用。