Adept manipulation of articulated objects is essential for robots to operate successfully in human environments. Such manipulation requires both effectiveness--reliable operation despite uncertain object structures--and efficiency--swift execution with minimal redundant steps and smooth actions. Existing approaches struggle to achieve both objectives simultaneously: methods relying on predefined kinematic models lack effectiveness when encountering structural variations, while tactile-informed approaches achieve robust manipulation without kinematic priors but compromise efficiency through reactive, step-by-step exploration-compensation cycles. This paper introduces TacMan-Turbo, a novel proactive tactile control framework for articulated object manipulation that mitigates this fundamental trade-off. Unlike previous approaches that treat tactile contact deviations merely as error signals requiring compensation, our method interprets these deviations as rich sources of local kinematic information. This new perspective enables our controller to predict optimal future interactions and make proactive adjustments, significantly enhancing manipulation efficiency. In comprehensive evaluations across 200 diverse simulated articulated objects and real-world experiments, our approach maintains a 100% success rate while significantly outperforming the previous tactile-informed method in time efficiency, action efficiency, and trajectory smoothness (all p-values < 0.0001). These results demonstrate that the long-standing trade-off between effectiveness and efficiency in articulated object manipulation can be successfully resolved without relying on prior kinematic knowledge.


翻译:熟练操作关节物体对于机器人在人类环境中成功运行至关重要。此类操作既需要有效性——即在物体结构不确定的情况下仍能可靠运行,也需要效率——即以最少的冗余步骤和流畅的动作快速执行。现有方法难以同时实现这两个目标:依赖预定义运动学模型的方法在遇到结构变化时缺乏有效性,而基于触觉信息的方法虽能在没有运动学先验知识的情况下实现稳健操作,却通过反应式的、逐步的探索-补偿循环牺牲了效率。本文介绍了TacMan-Turbo,一种用于关节物体操作的新型主动触觉控制框架,它缓解了这一根本性的权衡。与先前仅将触觉接触偏差视为需要补偿的误差信号的方法不同,我们的方法将这些偏差解释为丰富的局部运动学信息来源。这一新视角使我们的控制器能够预测未来的最优交互并进行主动调整,从而显著提高操作效率。在对200个多样化模拟关节物体进行的全面评估以及真实世界实验中,我们的方法保持了100%的成功率,同时在时间效率、动作效率和轨迹平滑度方面显著优于先前的触觉信息方法(所有p值 < 0.0001)。这些结果表明,关节物体操作中长期存在的有效性与效率之间的权衡,可以在不依赖先验运动学知识的情况下成功解决。

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