Robotic grasping requires safe force interaction to prevent a grasped object from being damaged or slipping out of the hand. In this vein, this paper proposes an integrated framework for grasping with formal safety guarantees based on Control Barrier Functions. We first design contact force and force closure constraints, which are enforced by a safety filter to accomplish safe grasping with finger force control. For sensory feedback, we develop a technique to estimate contact point, force, and torque from tactile sensors at each finger. We verify the framework with various safety filters in a numerical simulation under a two-finger grasping scenario. We then experimentally validate the framework by grasping multiple objects, including fragile lab glassware, in a real robotic setup, showing that safe grasping can be successfully achieved in the real world. We evaluate the performance of each safety filter in the context of safety violation and conservatism, and find that disturbance observer-based control barrier functions provide superior performance for safety guarantees with minimum conservatism.


翻译:机器人抓取需要安全的力交互,以防止被抓取物体受损或从手中滑落。为此,本文提出了一种基于控制屏障函数的、具有形式化安全保证的集成抓取框架。我们首先设计了接触力与力闭合约束,并通过安全滤波器强制执行,以实现基于手指力控制的安全抓取。在传感反馈方面,我们开发了一种从各手指触觉传感器估计接触点、力及扭矩的技术。我们在双指抓取场景下的数值仿真中,使用多种安全滤波器验证了该框架。随后,我们在真实机器人系统中通过抓取包括易碎实验室玻璃器皿在内的多种物体进行了实验验证,结果表明安全抓取在现实世界中可成功实现。我们评估了各安全滤波器在安全违规与保守性方面的性能,发现基于扰动观测器的控制屏障函数能以最小保守性为安全保证提供更优性能。

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