面向交互式导航与用户-机器人安全的力-顺应 MPC 与机器人-用户 CBF
机器人学
2025-08-06 v1
摘要
引导视障人士在复杂环境中需要实时的双向交互和安全保障。本文提出一种力-顺应模型预测控制（FC-MPC）和机器人-用户控制栏函数（CBF）组合方案，用于 Hexapod 指导机器人中的力矩顺应导航与障碍规避。FC-MPC 通过估计用户施加的力和力矩（利用机器人的动力学模型和递归最小二乘法 RLS），实现对机器人运动的调节，从而实现双向交互；而机器人-用户 CBF 通过处理静态与动态障碍，确保用户和机器人安全，并采用加权松弛变量解决复杂动态环境下的可行性问题。我们还采用八连通 DBSCAN 方法进行障碍聚类，将计算复杂度从 O(n²) 降低至约 O(n)，在资源受限的机器人上板计算机上实现实时局部感知。障碍采用最小包围椭圆（MBE）建模，并通过卡尔曼滤波预测其�迹。系统在 HexGuide 机器人上实现，无缝集成力矩顺应、自动导航与障碍规避。实验结果表明，该系统在复杂环境中能够适应用户力量指令，同时在导航期间保证用户和机器人安全。
引用
@article{arxiv.2508.03246,
title = {Force-Compliance MPC and Robot-User CBFs for Interactive Navigation and User-Robot Safety in Hexapod Guide Robots},
author = {Zehua Fan and Feng Gao and Zhijun Chen and Yunpeng Yin and Limin Yang and Qingxing Xi and En Yang and Xuefeng Luo},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.03246},
year = {2025}
}