Zero Wrench Control via Wrench Disturbance Observer for Learning-free Peg-in-hole Assembly

📄 arXiv: 2601.04881v1 📥 PDF

作者: Kiyoung Choi, Juwon Jeong, Sehoon Oh

分类: cs.RO

发布日期: 2026-01-08

💡 一句话要点

提出基于动态力/力矩扰动观测器的免学习插孔装配零力控制方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 零力控制 力/力矩扰动观测器 动态接触 插孔装配 机器人操作

📋 核心要点

  1. 传统力/力矩扰动观测器在动态接触任务中难以有效分离惯性力和外部力，导致零力控制精度下降。
  2. DW-DOB通过将任务空间惯性嵌入观测器模型，精确分离动态反作用力和外部力，提升零力控制的灵敏度。
  3. 实验表明，DW-DOB在工业公差插孔装配中表现优异，实现了更深、更柔顺的插入，并降低了残余力/力矩。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种动态力/力矩扰动观测器(DW-DOB)，旨在实现接触丰富的操作中高度灵敏的零力/力矩控制。通过将任务空间惯性嵌入到观测器的标称模型中，DW-DOB 将固有的动态反作用力与真实的外部力/力矩干净地分离。这保留了对小力/力矩的敏感性，同时确保了对接触力/力矩的鲁棒调节。基于被动性的分析进一步表明，DW-DOB 保证了动态条件下的稳定交互，解决了传统观测器无法补偿惯性效应的缺点。在工业公差(H7/h6)下的插孔实验验证了该方法，产生了更深、更柔顺的插入，具有最小的残余力/力矩，并且优于传统的力/力矩扰动观测器和 PD 基线。这些结果突出了 DW-DOB 是一种实用的免学习解决方案，适用于接触丰富的任务中的高精度零力/力矩控制。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决接触丰富的操作任务中，机器人需要进行精确的零力/力矩控制的问题，例如插孔装配。现有方法，特别是传统的力/力矩扰动观测器，在动态条件下难以有效区分由机器人自身运动产生的惯性力和外部接触力，导致控制精度下降，甚至不稳定。

核心思路：论文的核心思路是将任务空间惯性信息融入到扰动观测器的模型中。通过精确建模机器人自身的动力学特性，观测器能够更准确地估计和补偿惯性力，从而将外部接触力/力矩与内部动力学效应分离。这样，控制系统就能更灵敏地响应外部扰动，实现精确的零力/力矩控制。

技术框架：该方法的核心是动态力/力矩扰动观测器(DW-DOB)。整体框架包括：1) 机器人动力学模型；2) 任务空间惯性矩阵的估计；3) 基于观测器的力/力矩估计；4) 力/力矩控制律。DW-DOB利用机器人动力学模型和任务空间惯性矩阵来估计由机器人运动产生的惯性力，然后从总的力/力矩测量值中减去该估计值，从而得到外部接触力/力矩的估计。该估计值被用于力/力矩控制，以实现零力/力矩控制目标。

关键创新：关键创新在于将任务空间惯性嵌入到扰动观测器的标称模型中。与传统的扰动观测器不同，DW-DOB 能够显式地补偿惯性效应，从而提高了对外部力/力矩的估计精度。这种方法避免了对复杂环境模型的依赖，实现了免学习的零力控制。

关键设计：DW-DOB的关键设计包括：1) 精确的任务空间惯性矩阵估计方法；2) 观测器的增益设计，需要保证观测器的稳定性和收敛速度；3) 基于被动性的稳定性分析，确保系统在动态接触条件下的稳定性。论文采用了一种基于被动性的分析方法来设计观测器的增益，以保证系统在动态接触条件下的稳定性。

📊 实验亮点

实验结果表明，DW-DOB在工业公差(H7/h6)的插孔装配任务中，能够实现更深、更柔顺的插入，并显著降低残余力/力矩。与传统的力/力矩扰动观测器和 PD 控制器相比，DW-DOB 表现出更好的性能，验证了其在动态接触任务中的有效性。具体数据方面，论文展示了DW-DOB在残余力/力矩控制精度上的提升，但具体数值需要参考原文。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于需要高精度力/力矩控制的机器人操作任务中，例如精密装配、打磨抛光、医疗手术等。特别是在狭小空间或复杂环境中，机器人需要与环境进行频繁接触，精确的零力控制可以避免损坏工件或机器人自身，提高操作效率和安全性。该方法无需学习，具有很强的实用价值。

📄 摘要（原文）

This paper proposes a Dynamic Wrench Disturbance Observer (DW-DOB) designed to achieve highly sensitive zero-wrench control in contact-rich manipulation. By embedding task-space inertia into the observer nominal model, DW-DOB cleanly separates intrinsic dynamic reactions from true external wrenches. This preserves sensitivity to small forces and moments while ensuring robust regulation of contact wrenches. A passivity-based analysis further demonstrates that DW-DOB guarantees stable interactions under dynamic conditions, addressing the shortcomings of conventional observers that fail to compensate for inertial effects. Peg-in-hole experiments at industrial tolerances (H7/h6) validate the approach, yielding deeper and more compliant insertions with minimal residual wrenches and outperforming a conventional wrench disturbance observer and a PD baseline. These results highlight DW-DOB as a practical learning-free solution for high-precision zero-wrench control in contact-rich tasks.