微分可能距離場を用いた構成空間における安全な動的動作生成
Safe Dynamic Motion Generation in Configuration Space Using Differentiable Distance Fields
関節マニピュレータの微分可能距離場を利用し、速度を考慮した時変制御バリア関数と制御リアプノフ関数をQPで統合することで、動的環境下での衝突回避と全身接触動作を実現した。
著者: Xuemin Chi, Yiming Li, Jihao Huang, Bolun Dai, Zhitao Liu, Sylvain Calinon
分類: cs.RO
原文アブストラクト
Generating collision-free motions in dynamic environments is a challenging problem for high-dimensional robotics, particularly under real-time constraints. Control Barrier Functions (CBFs), widely utilized in safety-critical control, have shown significant potential for motion generation. However, for high-dimensional robot manipulators, existing QP formulations and CBF-based methods rely on positional information, overlooking higher-order derivatives such as velocities. This limitation may lead to reduced success rates, decreased performance, and inadequate safety constraints. To address this, we construct time-varying CBFs (TVCBFs) that consider velocity conditions for obstacles. Our approach leverages recent developments on distance fields for articulated manipulators, a differentiable representation that enables the mapping of objects' position and velocity into the robot's joint space, offering a comprehensive understanding of the system's interactions. This allows the manipulator to be treated as a point-mass system thus simplifying motion generation tasks. Additionally, we introduce a time-varying control Lyapunov function (TVCLF) to enable whole-body contact motions. Our approach integrates the TVCBF, TVCLF, and manipulator physical constraints within a unified QP framework. We validate our method through simulations and comparisons with state-of-the-art approaches, demonstrating its effectiveness on a 7-axis Franka robot in real-world experiments.
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