Periodic robust robotic rock chop via virtual model control

📄 arXiv: 2508.02604v1 📥 PDF

作者: Yi Zhang, Fumiya Iida, Fulvio Forni

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-08-04

💡 一句话要点

提出虚拟模型控制方案以实现机器人切割的稳定性与精确性

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人切割 虚拟模型控制 鲁棒性 切割精度 自动化 食品加工 智能制造

📋 核心要点

  1. 现有的机器人切割方法面临着未知物体力学和大接触力的挑战，导致切割精度和稳定性不足。
  2. 本文提出了一种虚拟模型控制方案，通过与虚拟机制的互联来实现刀具的摇摆运动，避免了对环境信息的依赖。
  3. 实验结果显示，使用Franka操纵器能够实现对多种蔬菜的稳健切割，切割精度达到亚毫米级，且适应性强。

📝 摘要（中文）

机器人切割是一项具有挑战性的接触丰富的操作任务，要求机器人在未知物体力学、大接触力和精确运动要求之间进行协调。本文提出了一种新的虚拟模型控制方案，使得机器人操纵器能够实现刀具摇摆运动，而无需预先规划轨迹或精确的环境信息。通过与虚拟机制的互联，生成运动，虚拟弹簧、阻尼器和质量以适当的方式排列。通过分析和实验，我们证明了受控机器人行为能够稳定在周期性运动中。使用Franka操纵器的实验表明，能够对五种不同的蔬菜进行稳健切割，切割精度达到亚毫米级，切片厚度从1毫米到6毫米，几乎每秒切割一次。该控制器在刀具形状和切割板高度变化时依然有效，并能适应不同的人形操纵器，展示了其鲁棒性和平台独立性。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决机器人在切割任务中面临的未知物体力学和大接触力的问题，现有方法往往依赖于预先规划的轨迹和环境信息，限制了其适应性和鲁棒性。

核心思路：提出了一种虚拟模型控制方案，通过虚拟弹簧、阻尼器和质量的互联，生成刀具的摇摆运动，从而实现对切割任务的有效控制。这样的设计使得机器人能够在不依赖于环境信息的情况下进行切割。

技术框架：该方法的整体架构包括虚拟机制的构建、运动生成模块和控制算法。虚拟机制通过弹簧和阻尼器的配置，形成一个动态系统，控制算法则负责实时调整刀具的运动状态。

关键创新：最重要的创新点在于引入虚拟模型控制，使得机器人在切割过程中能够自适应环境变化，克服了传统方法的局限性，尤其是在刀具形状和切割板高度变化时的鲁棒性。

关键设计：在设计中，虚拟弹簧和阻尼器的参数设置经过精心调整，以确保运动的平稳性和切割的精确性。此外，控制算法采用了实时反馈机制，以适应不同的切割条件。

📊 实验亮点

实验结果表明，使用Franka操纵器进行切割时，能够实现亚毫米级的切割精度，切片厚度范围从1毫米到6毫米，切割速度接近每秒一次。此外，该控制器在刀具形状和切割板高度变化时依然保持稳定，展示了其优越的鲁棒性和适应性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括食品加工、农业机器人和自动化厨房等场景。通过提高机器人切割的精确性和适应性，该技术能够显著提升生产效率和食品安全性，未来可能在智能制造和服务机器人领域产生深远影响。

📄 摘要（原文）

Robotic cutting is a challenging contact-rich manipulation task where the robot must simultaneously negotiate unknown object mechanics, large contact forces, and precise motion requirements. We introduce a new virtual-model control scheme that enables knife rocking motion for robot manipulators, without pre-planned trajectories or precise information of the environment. Motion is generated through interconnection with virtual mechanisms, given by virtual springs, dampers, and masses arranged in a suitable way. Through analysis and experiments, we demonstrate that the controlled robot behavior settles into a periodic motion. Experiments with a Franka manipulator demonstrate robust cuts with five different vegetables, and sub-millimeter slice accuracy from 1 mm to 6 mm at nearly one cut per second. The same controller survives changes in knife shape and cutting board height, and adaptation to a different humanoid manipulator, demonstrating robustness and platform independence.