Catching fast-moving objects serves as a benchmark for robotic agility, posing significant coordination challenges for cooperative manipulator systems holding a catcher, particularly due to inherent closed-chain constraints. This paper presents a nonlinear model predictive control (MPC)-based motion planner that bridges high-level interception planning with real-time joint space control, enabling dynamic object interception for systems comprising two cooperating arms. We introduce an Adaptive- Terminal (AT) MPC formulation featuring cost shaping, which contrasts with a simpler Primitive-Terminal (PT) approach relying heavily on terminal penalties for rapid convergence. The proposed AT formulation is shown to effectively mitigate issues related to actuator power limit violations frequently encountered with the PT strategy, yielding trajectories and significantly reduced control effort. Experimental results on a robotic platform with two cooperative arms, demonstrating excellent real time performance, with an average planner cycle computation time of approximately 19 ms-less than half the 40 ms system sampling time. These results indicate that the AT formulation achieves significantly improved motion quality and robustness with minimal computational overhead compared to the PT baseline, making it well-suited for dynamic, cooperative interception tasks.


翻译:捕捉高速运动物体是衡量机器人敏捷性的基准任务,对持有捕捉器的协作机械臂系统提出了显著的协调挑战,这尤其源于系统固有的闭链约束。本文提出了一种基于非线性模型预测控制(MPC)的运动规划器,将高层拦截规划与实时关节空间控制相结合,实现了由两个协作臂构成的系统对动态目标的拦截。我们引入了一种具有成本塑形功能的自适应终端(AT)MPC 框架,与主要依赖终端惩罚以实现快速收敛的简单原始终端(PT)方法形成对比。研究表明,所提出的 AT 框架能有效缓解 PT 策略中常见的执行器功率限制违规问题,生成轨迹并显著降低控制能耗。在一个配备两个协作臂的机器人平台上进行的实验结果表明,该方法具有优异的实时性能,规划器循环平均计算时间约为 19 毫秒——不到系统 40 毫秒采样周期的一半。这些结果表明,与 PT 基准方法相比,AT 框架以最小的计算开销显著提升了运动质量和鲁棒性,使其非常适用于动态协作拦截任务。

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