机器人操作臂全身动态安全：基于CBF的3D泊松安全函数
机器人学
2026-04-24 v1
摘要
机器人操作臂的碰撞避免需要在高维配置空间中强制执行全身安全约束。基于控制屏障函数(CBF)的安全过滤器在实现安全行为方面已证明有效，但强制执行全身操作所需的大量约束导致了理论和计算挑战。本工作提出了一种针对动态环境中操作臂的全身碰撞避免框架，利用3D泊松安全函数(PSF)。具体而言，给定环境占据数据，对操作臂表面进行指定分辨率的抽样，并根据该分辨率对自由空间进行收缩。针对该缓冲域，在其上合成全局光滑的CBF，通过求解泊松方程获得单个安全函数，用于整个环境。该安全函数在每个抽样点处计算，生成用于由实时安全过滤器执行的多约束二次规划(QP)中的任务空间CBF约束。我们证明了保持缓冲区域内样本点安全可保证整个连续机器人表面的碰撞避免。该框架在7自由度操作臂的动态环境中进行了验证。
引用
@article{arxiv.2604.21189,
title = {Full-Body Dynamic Safety for Robot Manipulators: 3D Poisson Safety Functions for CBF-Based Safety Filters},
author = {Meg Wilkinson and Gilbert Bahati and Ryan M. Bena and Emily Fourney and Joel W. Burdick and Aaron D. Ames},
journal= {arXiv preprint arXiv:2604.21189},
year = {2026}
}