Safe Consensus of Cooperative Manipulation with Hierarchical Event-Triggered Control Barrier Functions
作者: Simiao Zhuang, Bingkun Huang, Zewen Yang
分类: cs.RO
发布日期: 2026-03-06
备注: 8 pages
💡 一句话要点
提出基于分层事件触发控制障碍函数的多机器人协同操作安全共识方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 多机器人协同 控制障碍函数 事件触发控制 安全控制 分布式控制
📋 核心要点
- 多机器人协同操作面临通信受限、计算资源有限以及复杂环境中安全约束的挑战。
- 论文提出分层事件触发控制障碍函数（CBFs）框架，实现分布式共识协调，保障协同操作的安全性。
- 实验结果表明，该方法在保证安全性的前提下，显著降低了计算成本和通信频率，提高了协同精度。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种分布式控制框架，通过分层事件触发控制障碍函数（CBFs）实现安全保障下的共识协调，用于多机器人协同运输和操作重型或大型载荷。该框架在通信和实时计算资源有限的情况下，保证编队跟踪，同时满足动态环境中严格的安全约束。首先，开发了一种仅依赖局部邻域信息的共识协议，以保证任务空间中的平移和旋转一致性。在此基础上，提出了一个三层分层事件触发安全架构，并结合风险感知的领导者选择和平滑切换策略，以减少在线计算。通过两个Franka机械臂在静态障碍物环境中的真实硬件实验，以及在动态障碍物环境中进行的可扩展多臂合作的综合仿真验证了该方法的有效性。结果表明，该方法在严格安全约束下实现了更高精度的合作，并显著降低了计算成本和通信频率。
🔬 方法详解
问题定义：多机器人协同操作需要保证编队的一致性，同时避免碰撞等安全问题。现有方法通常计算复杂度高，通信频率高，难以满足实时性和资源约束。特别是在动态环境中，安全保障更具挑战性。
核心思路：论文的核心思路是利用分层事件触发机制和控制障碍函数（CBFs）来实现安全保障下的分布式共识。通过事件触发机制减少不必要的通信和计算，通过CBFs保证机器人在安全区域内运动，从而实现安全高效的协同操作。
技术框架：该框架包含三个主要层次：1) 共识协议层：基于局部邻域信息实现平移和旋转一致性；2) 分层事件触发安全架构：包含三个层级的CBFs，用于保障不同程度的安全；3) 风险感知领导者选择和平滑切换策略：动态选择风险最低的机器人作为领导者，并平滑切换，以减少在线计算。
关键创新：该方法的主要创新在于将分层事件触发机制与控制障碍函数相结合，实现了在资源受限条件下安全高效的分布式协同操作。通过分层设计，可以根据不同的安全需求选择不同的控制策略，从而在安全性和计算效率之间取得平衡。
关键设计：1) 事件触发条件的设计：根据机器人之间的状态差异和安全约束，动态调整事件触发的阈值，以减少不必要的通信和计算；2) 控制障碍函数的设计：根据机器人的几何形状和环境信息，设计合适的CBFs，以保证机器人在安全区域内运动；3) 领导者选择策略：基于风险评估选择领导者，并采用平滑切换策略，避免控制突变。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
真实硬件实验表明，该方法在静态障碍物环境中实现了高精度的协同操作，并保证了安全性。仿真结果表明，该方法在动态障碍物环境中具有良好的可扩展性，能够支持多个机器人的协同操作。与基线方法相比，该方法显著降低了计算成本和通信频率，提高了系统的实时性和鲁棒性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于工业自动化、物流运输、灾害救援等领域。例如，在大型构件的装配、重型货物的搬运、危险环境下的救援任务中，多机器人协同操作可以提高效率和安全性。未来，该方法有望扩展到更多类型的机器人和更复杂的环境。
📄 摘要（原文）
Cooperative transport and manipulation of heavy or bulky payloads by multiple manipulators requires coordinated formation tracking, while simultaneously enforcing strict safety constraints in varying environments with limited communication and real-time computation budgets. This paper presents a distributed control framework that achieves consensus coordination with safety guarantees via hierarchical event-triggered control barrier functions (CBFs). We first develop a consensus-based protocol that relies solely on local neighbor information to enforce both translational and rotational consistency in task space. Building on this coordination layer, we propose a three-level hierarchical event-triggered safety architecture with CBFs, which is integrated with a risk-aware leader selection and smooth switching strategy to reduce online computation. The proposed approach is validated through real-world hardware experiments using two Franka manipulators operating with static obstacles, as well as comprehensive simulations demonstrating scalable multi-arm cooperation with dynamic obstacles. Results demonstrate higher precision cooperation under strict safety constraints, achieving substantially reduced computational cost and communication frequency compared to baseline methods.