Geometric Algebra for Optimal Control with Applications in Manipulation Tasks
Idiap Research Institute（Idiap 研究院）；EPFL（洛桑联邦理工学院）
本文针对机器人几何问题，提出用几何代数统一泛化螺旋理论等框架，实现最优控制代价函数的统一低复杂度建模，开发了公开库gafro，实验验证其运动学计算效率优于主流机器人库。
2023-06-05 cs.RO
On Second-Order Derivatives of Rigid-Body Dynamics: Theory & Implementation
The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；University of Notre Dame（圣母大学）
基于模型的机器人控制越来越依赖于基于优化的方法，如微分动态规划和迭代LQR（iLQR）。这些方法可以形成模型预测控制（MPC）的基础，MPC通常用于控制足式机器人。计算动力学的偏导数通常是这些算法中最昂贵的部分，无论使用的是分析方法、有限差分、自动微分（AD）还是链式规则累积。由于动力学的二阶导数导致张量计算，因此它们通常被忽略，导致使用iLQR，而不是完整的二阶DDP方法。在本文中，我们提出的分析方法来计算的逆和正动力学的二阶导数的开链刚体系统与多自由度关节和固定/浮动基地。AD和其他方法的准确性和运行时性能的广泛比较，包括考虑在C/C++的代码生成技术，以加快计算。对于36 DoF ATLAS人形机器人，二阶逆动力学导数和正动力学导数分别约为200 μ s和2.1 ms，比AD方法加速3倍。
2023-02-12 cs.RO
Smooth Path Planning with Subharmonic Artificial Potential Field
针对移动机器人使用人工势场（APF）规划路径时易陷入局部极小点和导数在障碍物附近激增的问题，提出利用指数函数修改势场公式构建次调和函数，并结合圆形采样技术，仿真证明该方法能有效避开局部极小点并生成平滑路径。
2024-08-28 cs.RO
Collision Detection with Analytical Derivatives of Contact Kinematics
Department of Mechanical and Nuclear Engineering, Khalifa University of Science and Technology（卡利法大学科学与技术学院机械与核工程系）；Khalifa University Center for Autonomous Robotic Systems (KUCARS)（卡利法大学自主机器人系统中心）；The BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant’Anna（圣安娜高等学院生物机器人研究所）；Department of Excellence in Robotics and AI, Scuola Superiore Sant’Anna（圣安娜高等学院机器人与人工智能卓越部门）；LS2N Laboratory, Institut Mines Telecom Atlantique（Atlantique电信学院LS2N实验室）
iDCOL通过几何正则化和隐式可微框架实现鲁棒的碰撞检测与接触运动学计算，适用于路径规划和接触物理模拟。
2026-02-03 cs.RO
Robust H-infinity kinematic control of manipulator robots using dual quaternion algebra
Munich School of Robotics and Machine Intelligence, Technische Universität München（慕尼黑工业大学慕尼黑机器人与机器智能学院）；The University of Manchester（曼彻斯特大学）；University of Brasília（巴西利亚大学）
提出了一种基于双四元数的机器人H ∞任务空间运动学鲁棒控制器。为了解决机械手的建模误差，不确定性，外源干扰，以及它们对末端执行器姿态的运动学的影响的倾向，我们适应H-无穷大技术\textemdash只适合于加性噪声\textemdash单位对偶四元数。在H ∞框架内的噪声误差衰减具有抛开噪声分布的要求的额外优点，这在刚体变换组内是非常难以表征的。使用双四元数代数，我们提供了一个连接的末端执行器轨迹和不同来源的不确定性和干扰的性能影响，同时满足衰减要求，最小的瞬时控制工作。其结果是一个易于实现的封闭形式的H ∞控制设计准则。所提出的策略的性能进行评估，在不同的现实模拟场景，并通过实际实验进行验证。
2021-06-21 cs.RO math.OC
Dual Quaternion-Based Visual Servoing for Grasping Moving Objects
University of Birmingham（伯明翰大学）；Sorbonne Université（索邦大学）
针对基于姿态的视觉伺服，提出了一种新的基于对偶四元数的模型。扩展我们以前的工作局部接触矩（LoCoMo）的基础上抓取规划，我们展示了在3D空间中任意移动的物体的抓。而不是使用传统的轴角参数化，双四元数允许设计的视觉伺服任务，在一个更紧凑的方式，并提供鲁棒性的机械手奇异。给定对象点云，LoCoMo生成抓取和预抓取姿态的排名列表，其用作视觉伺服的期望姿态。只要对象移动（通过视觉标记跟踪），所需的姿势就会自动更新。为此，利用对偶四元数空间距离误差，我们提出了一个动态的把握重新排名度量，以选择最佳可行的把握移动对象。这使得机器人可以很容易地跟踪和抓住任意移动的物体。此外，我们还探索机器人零空间与我们的控制器，以避免关节的限制，从而实现平滑的轨迹，同时以下移动的对象。我们评估所提出的视觉伺服的性能进行模拟实验，掌握各种对象，使用7轴机器人配备了2指夹持器。实验结果证明了我们所提出的视觉伺服的有效性。
2021-07-17 cs.RO
An Overview of Formulae for the Higher-Order Kinematics of Lower-Pair Chains with Applications in Robotics and Mechanism Theory
本文综述了低副链高阶动力学的公式，提出闭式和递推关系及各向异性动力学关系的泰勒展开，用于机器人和多体系统的运动控制与动力学。
2026-06-28 cs.NA cs.RO math.DS
DQ Robotics: a Library for Robot Modeling and Control
Federal University of Minas Gerais (UFMG)（米纳斯吉拉斯联邦大学）；University of Tokyo (UTokyo)（东京大学）
对偶四元数代数及其在机器人学中的应用在过去的二十年里引起了人们极大的兴趣。对偶四元数有很大的几何吸引力，很容易捕捉的代数框架内的物理现象，是有用的机器人建模和控制。数学对象，如点、直线、平面、无限圆柱、球体、坐标系、扭曲和扳手都被很好地定义为对偶四元数。因此，简单的运营商被用来表示这些对象在不同的框架和操作，如内积和叉产品被用来提取有用的几何关系之间。尽管如此，对偶四元数代数并不像它可能的那样广泛，主要是因为高效和易于使用的计算工具并不丰富，并且通常仅限于特定的四元数代数。为了弥合理论和实现之间的差距，本文介绍了DQ Robotics，这是一个使用双四元数代数进行机器人建模和控制的库，它易于使用，足够直观，可用于自学和教育，同时在实际应用中部署时具有计算效率。
2020-07-24 cs.RO cs.SY eess.SY
A regularization-patching dual quaternion optimization method for solving the hand-eye calibration problem
Hangzhou Dianzi University（杭州电子科技大学）；The Hong Kong Polytechnic University（香港理工大学）；City University of Hong Kong（香港城市大学）
手眼标定问题是机器人研究中的一个重要应用问题。基于对偶四元数向量的2-范数，提出了一种新的对偶四元数优化手眼标定方法。将对偶四元数优化问题分解为两个四元数优化子问题。第一个四元数优化子问题控制机器人手的旋转。通过特征值分解或奇异值分解可以有效地求解。如果第一四元数优化子问题的最优值为零，则系统在旋转方向上是无噪声的，即，存在一个“完美”的机器人手运动，它能精确地满足所有测试姿态的旋转。在这种情况下，我们应用正则化技术来解决第二子问题，以最小化平移的距离。另外，我们应用修补技术来解决第二个四元数优化子问题。然后求解第二个四元数优化子问题就转化为求解一个二次约束二次规划问题。这样，我们就对手眼标定问题的解集给出了完整的描述。这在手眼校准文献中是新的。数值结果也显示了所提出的方法的有效性。
2022-09-16 cs.RO math.OC
Arbitrary-Order Hermite Interpolation of Rigid-Motion Jets via Hyper-Multidual Quaternions
Technical University of Iasi（雅西技术大学）；Center for Industrial Robots Simulation and Testing（工业机器人仿真与测试中心）；Technical University of Cluj-Napoca（克卢日-纳波卡技术大学）
该研究提出基于超多重对偶四元数的任意阶刚体运动射流埃尔米特插值方法，解决了直接螺杆线性插值的非完整性问题，可恢复高阶加速度场并通过了SE(3)相关测试。
2026-08-28 cs.RO
An analysis of higher-order kinematics formalisms for an innovative surgical parallel robot
Technical University of Cluj-Napoca（克卢日-纳波卡技术大学）；Gheorghe Asachi Technical University of Iasi（雅西格奥尔基·阿萨基技术大学）；Technical Sciences Academy of Romania（罗马尼亚技术科学院）；École Centrale Nantes（南特中央理工学院）；Nantes Université（南特大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；LS2N（南特数字科学实验室）
本文针对胰腺手术的模块化混合并联机器人，比较了基于向量、齐次变换矩阵和对偶四元数的逆运动学算法，发现多元对偶代数法在执行时间上显著优于经典微分法，且数值稳定性良好。
2025-03-27 cs.RO cs.SY eess.SY
Dual Quaternion Control of UAVs with Cable-suspended Load
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；School of Engineering and Design（工程与设计学院）；Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (MIRMI)（慕尼黑机器人与机器智能研究所）；Autonomous Aerial Systems（自主航空系统（机构））
针对带缆索悬挂载荷的无人机建模空白，提出基于对偶四元数的新型控制策略，实现无人机与载荷的动力学运动学统一表示，经仿真验证具备准确性、高效性与鲁棒性，为货运无人机及欠驱动系统控制提供新思路。
2024-04-11 cs.RO
Smooth trajectory generation and hybrid B-splines-Quaternions based tool path interpolation for a 3T1R parallel kinematic milling robot
Loughborough University（拉夫堡大学）；University of Tabriz（大不里士大学）
本文提出了一种基于B样条和四元数的平滑轨迹生成方法，用于提高3T1R并联运动铣削机器人路径插值的精度与效率。
2026-02-18 cs.RO cs.SY eess.SY
Why and How to Avoid the Flipped Quaternion Multiplication
ETH（苏黎世联邦理工学院）；MIT（麻省理工学院）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）；Alpen-Adria-Universitat Klagenfurt（克拉根福阿尔卑斯-亚得里亚大学）
在过去的几十年里，四元数已经成为机器人和航空航天中姿态表示的关键和非常成功的工具。然而，在交换公式或实现时，有一个主要问题在实践中不断造成麻烦：有两种常用的四元数乘法，汉密尔顿的原始乘法及其翻转版本，通常与NASA的喷气推进实验室有关。我们认为，这一具体问题是完全可以避免的，今天之所以存在，是因为缺乏理解。本文解释了普遍的被动世界的根本问题，以身体使用的旋转四元数，并推导出一个替代的解决方案兼容汉密尔顿的乘法。此外，它主张完全停止翻转乘法。此外，它还提供了有效检测相关约定并在它们之间迁移公式或算法的方法。
2018-02-05 cs.RO
A Survey on Dual-Quaternions
在过去的几年里，对偶四元数的应用不仅在许多不同的方向上发展，而且在几个领域也以令人兴奋的方式发展。由于对偶四元数提供了一种高效而紧凑的符号形式，具有独特的数学性质。虽然双四元数现在在研究和实现的许多方面都很常见，例如机器人和工程到计算机图形和动画，但仍然有大量的探索途径，具有巨大的潜在利益。这篇文章是第一个提供一个全面的审查双四元数景观。在这次调查中，我们提出了一个审查的双四元数技术和多年来开发的应用，同时提供洞察当前和未来的发展方向。本文首先介绍了双四元数的定义，它们的数学公式，同时解释了重要的关键方面（例如，压缩和模糊性）。本文中的文献综述分为几类，以帮助管理和可视化双四元数在解决特定问题时的应用。一个时间轴说明关键的方法，解释如何双四元数的方法已经取得了进展，多年来。讨论了最流行的双四元数方法在文献中的影响，性能，计算成本和现实世界的结果（与相关模型相比）。最后，我们指出了双四元数方法的局限性，并提出了未来的研究方向。
2023-03-26 cs.RO math.OC
Self-Motion of the 3-PPPS Parallel Robot with Delta-Shaped Base
CNRS（法国国家科学研究中心）；University of Cassino and Southern Lazio（卡西诺和南拉齐奥大学）；Ecole Centrale de Nantes（南特中央理工学院）
本文对具有等侧移动平台和等侧形基座的3-PPPS并联机器人进行了运动学分析。像其他3-PPPS机器人在文献中研究，它被证明是平行奇异只依赖于方向的末端执行器。四元数参数用于表示奇异曲面。直接运动学模型的研究表明，该机器人承认的Cardanic型的自运动。这就解释了为什么直接运动学模型承认无限多的解决方案，在中心的工作空间在“家”的位置，但从来没有研究到现在。
2018-06-11 cs.RO
Dual-quaternion learning control for autonomous vehicle trajectory tracking with safety guarantees
Universidad Politécnica de Madrid（西班牙马德里理工大学）；School of Science and Technology, IE University（IE大学科学与技术学院）；Universidad de San Andrés (UdeSA) and CONICET（阿根廷圣安德烈斯大学（UdeSA）和CONICET）；Centre for Automation and Robotics (CSIC-UPM)（自动化与机器人中心（CSIC-UPM））
本文提出基于双四元数的学习控制方法，用于自主机器人在存在扰动时实现鲁棒的轨迹跟踪。
2026-01-06 cs.RO cs.SY eess.SY
Soft Motion Trajectory Planner for Service Manipulator Robot
Université de Toulouse（图卢兹大学）；Instituto Tecnologico de Orizaba（奥里萨巴技术学院）
人机交互引入了两个主要约束：安全性和舒适性。因此，服务机器人机械手不能像工业机器人机械手那样被控制，在工业机器人机械手中，人员与机器人的工作范围隔离。在本文中，我们提出了一个软运动轨迹规划，试图确保这些约束得到满足。该规划器可用于在线建立适合于人的视觉和力控制回路。由该规划器构建的立方体轨迹是作为操纵任务规划器的输出的良好候选者。然后，所获得的系统是同质的任务规划的机器人控制。软运动轨迹规划器利用四元数在刚体空间中限制加加速度、加速度和速度。三菱PA 10 -6CE手臂上进行的实验结果。
2009-05-06 cs.RO
Constraint Estimation and Derivative-Free Recovery for Robot Learning from Demonstrations
UC Berkeley（加州大学伯克利分校）
从人类演示中学习可以促进自动化，但有风险，因为执行学习的策略可能会导致冲突和其他故障。当状态表示很复杂时，添加显式约束以避免不安全状态通常是不可能的。此外，在学习策略的执行期间强制执行这些约束在动态难以建模的环境中可能具有挑战性，例如抓取中的推动机制。在本文中，我们提出了无导数恢复（DFR），一个两阶段的方法，从机器人操作任务中的演示系统来休息，在每个时间步产生强大的政策。在第一阶段，我们使用支持估计的监督示范和对待的支持作为隐含的约束状态。我们还提出了一个随时间变化的修改顺序任务。在第二阶段中，我们使用这个支持估计来推导出一个切换策略，该策略在支持的内部采用学习的策略，并切换到恢复策略，以引导机器人远离支持的边界，如果它漂移得太近。我们提出了额外的条件，线性约束的状态差在每个时间步的控制幅度，使我们能够证明，机器人不会违反使用恢复策略的约束。MuJoCo中的模拟推送任务表明，DFR可以减少83%的碰撞。在使用达芬奇手术机器人和移动Stewart平台的物理线跟踪任务中，DFR减少了84%的碰撞。
2018-10-16 cs.RO
Robust Sensor Fusion for Robot Attitude Estimation
University of Bonn（波恩大学）
在机器人领域，关于物体相对于世界的方位的知识通常是非常宝贵的信息。本文提出了一种融合三轴陀螺、加速度计和磁强计数据的姿态估计器。融合偏航的概念，使用的估计器，也介绍了。估计器，一个非线性互补滤波器的心脏，被设计为一致的鲁棒性和稳定性-独立于身体的绝对方向-并已实现和发布作为一个跨平台的开源C++库。扩展的估计，如快速学习和动态处理的能力，减少感官信息的情况下，也提出了。
2018-09-27 cs.RO
Pose consensus based on dual quaternion algebra with application to decentralized formation control of mobile manipulators
Federal University of Alagoas（阿拉戈斯联邦大学）；Federal University of Minas Gerais（米纳斯吉拉斯联邦大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出了一种基于对偶四元数代数的解决一般姿态问题的方法（即，位置和方向）的一致性。对偶四元数代数被用来模拟智能体的姿态和分布式控制律，使所提出的技术很容易适用于一般机器人系统的时变编队控制。建议的姿势共识协议有保证的收敛时，代理之间的相互作用是由有向图与有向生成树，这是一个更普遍的结果相比，文献的形成控制。为了说明所提出的姿势一致性协议及其扩展到编队控制问题，我们提出了一个数值模拟与大量的自由飞行代理，也是一个应用程序的合作操作，通过使用真正的移动机械手。
2019-06-15 cs.RO math.OC
Motion Comparator: Visual Comparison of Robot Motions
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文提出基于严谨设计框架开发的网络工具 Motion Comparator，通过多视图协调、四元数可视化和时间规整等功能支持机器人运动的选择、故障排查、参数调节与审查。
2024-07-03 cs.RO
Analytical Derivatives for Efficient Mechanical Simulations of Hybrid Soft Rigid Robots
本文提出基于GVS模型和递归牛顿-欧拉算法的解析导数方法，用于混合软硬机器人的高效模拟，在六个系统中实现高达三个数量级的加速。
2024-11-07 cs.RO physics.app-ph
Distributed 3D Source Seeking via SO(3) Geometric Control of Robot Swarms
Department of Computer Engineering, Automation \& Robotics
本文提出基于SO(3)几何控制的分布式3D源搜索框架，通过比例前馈控制器实现机器人指数级对齐至源方向，避免欧拉角奇异性和四元数模糊性，数值模拟验证有效性。
2025-10-08 cs.RO
Relative Pose Observability Analysis Using Dual Quaternions
University of Washington（华盛顿大学）
本文利用对偶四元数表示相对位姿与运动模型，通过李代数非线性可观测性分析证明其 Jacobian 与可观测性矩阵具有有利块结构并满足满秩条件。
2025-03-14 cs.RO cs.SY eess.SY
A General Lie-Group Framework for Continuum Soft Robot Modeling
Sorbonne Université, CNRS UMR 7222, Inserm U1150, ISIR（索邦大学，CNRS UMR 7222，Inserm U1150，ISIR）；Université de Strasbourg, CNRS, INSERM, ICube, UMR7357（斯特拉斯堡大学，CNRS，INSERM，ICube，UMR7357）
本文提出了一种基于李群的通用框架，结合柯西-罗德理论和累积参数化，用于高效建模连续软机器人，解决了传统方法的局限性，并提升了模拟和控制性能。
2026-03-09 cs.RO
Dual Quaternion-Based Unscented Kalman Filter with Visual Inertial Odometry for Navigation in GPS-Denied Environments
Carleton University（卡尔顿大学）
提出一种基于对偶四元数的无迹卡尔曼滤波（DQUKF）结合视觉惯性里程计（VIO），在GPS拒止环境下实现高精度状态估计，在EuRoC数据集上位置RMSE达0.2584米。
2026-06-08 cs.RO cs.SY eess.SY
Adaptive Passivity-Based Pose Tracking Control of Cable-Driven Parallel Robots for Multiple Attitude Parameterizations
本文提出一种基于自适应被动性的位姿跟踪控制方法，适用于多种姿态参数化，通过结合前馈和反馈控制器，实现CDPR的鲁棒性和轨迹跟踪。
2022-09-07 cs.RO cs.SY eess.SY
A Versatile Co-Design Approach For Dynamic Legged Robots
University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Heriot-Watt University（赫瑞-瓦特大学）
我们提出了一个通用的框架计算协同设计的足式机器人和动态机动。当前最先进的方法通常基于随机采样或并行优化。我们提出了一种新的双层优化方法，该方法利用了运动规划子问题的导数（即，下层）。这些运动规划衍生物允许我们在通用非线性程序（即，上层）。我们的方法允许使用任何微分运动规划在较低的水平，也允许一个较高的水平，捕捉任意的设计约束和成本。它有效地优化了机器人的形态，有效载荷分布和执行器参数，同时考虑其完整的动力学，关节限制和物理约束，如摩擦锥。我们通过设计跳跃和小跑的四足机器人来展示这些能力。我们表明，我们的方法是能够设计一个更节能的独奏机器人这些任务。
2022-07-15 cs.RO
Nth Order Analytical Time Derivatives of Inverse Dynamics in Recursive and Closed Forms
Robotics Innovation Center, DFKI GmbH（DFKI GmbH机器人创新中心）；Institute of Robotics, Johannes Kepler University（约翰开普勒大学机器人研究所）
描述刚体动力学的运动方程的导数正变得越来越与机器人社区相关，并在机器人系统的设计和控制中找到许多应用。控制机器人，特别是包括弹性部件的多体系统，不仅需要平滑的轨迹，而且需要控制力/扭矩的时间导数，因此需要运动方程（EOM）的时间导数。本文提出了新的n阶时间导数的封闭和递归形式的EOM。虽然前者提供了一个直接洞察这些衍生物的结构，后者导致他们的高效率的大自由度机器人系统的实施。
2021-03-10 cs.RO math.DS physics.comp-ph
Efficient Analytical Derivatives of Rigid-Body Dynamics using Spatial Vector Algebra
The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；University of Notre Dame（圣母大学）
许多基于模型的机器人控制算法的一个基本需求是能够快速准确地计算运动方程的偏导数。解决这个问题的最新方法通常使用基于应用于现有动力学算法的链式规则的分析方法。虽然这些方法在精度方面优于有限差分法，但它们并不总是最有效的。在本文中，我们贡献了新的封闭形式的表达的一阶偏导数的逆动力学，导致递归算法。该算法的基准对链规则的方法在Fortran和现有的算法从Pinocchio库在C++。测试考虑计算从运动链到人形和四足动物的机器人的逆动力学和正动力学的偏导数。与之前的开源Pinocchio实现相比，我们的新分析结果揭示了一个关键的计算重组，可以提高效率。加速高达1.4倍的报告计算偏导数的逆动力学的50-DOF塔罗斯人形。
2022-01-10 cs.RO
Orientation Probabilistic Movement Primitives on Riemannian Manifolds
Bosch Center for Artificial Intelligence（博世人工智能中心）；University of Leoben（莱奥本大学）
学习复杂的机器人运动必然要求具有能够在操作空间中定义任务时编码和检索全姿态轨迹的模型。概率运动基元（ProMPs）作为一种原则性方法脱颖而出，它对从演示中学习到的轨迹分布进行建模。ProMP允许轨迹调制和混合，以实现对新情况的更好概括。然而，当ProMP在操作空间中使用时，它们的原始公式不直接适用于包括由四元数描述的旋转轨迹的全姿态运动。本文提出了一种黎曼公式的ProMPs，使编码和检索的四元数轨迹。我们的方法建立在黎曼流形理论，并利用多线性测地线回归估计ProMPs参数。这种新的方法使ProMP学习复杂的全姿态机器人运动模式的一个合适的模型。黎曼ProMP测试玩具的例子来说明他们的工作流程，并在真正的学习演示实验。
2021-10-28 cs.LG cs.RO
Differentiable Simulation of Soft Robots with Frictional Contacts
Inria（法国国家信息与自动化研究所）
本文提出一种在有限元框架内统一计算软体机器人力学方程导数的方法，处理了非线性互补问题建模的接触相互作用，涵盖碰撞与摩擦阶段的非光滑动力学，有效提升了控制与校准任务的效率。
2025-01-31 cs.RO
Dual Quaternion SE(3) Synchronization with Recovery Guarantees
Department of Systems Engineering and Engineering Management, The Chinese University of Hong Kong, Shatin, NT, Hong Kong（系统工程与工程管理系，香港中文大学（深圳））；H. Milton Stewart School of Industrial and Systems Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA（H. Milton Stewart工业与系统工程学院，佐治亚理工学院）
采用对偶四元数表示，通过谱初始化和对偶四元数广义幂法实现 SE(3) 同步，并给出误差界和线性收敛保证。
2026-05-27 cs.CV cs.RO eess.SP
Mag-Match: Magnetic Vector Field Features for Map Matching and Registration
Robotics Institute, University of Technology Sydney（技术大学悉尼机器人研究所）
本文提出Mag-Match方法，利用三维磁矢量场的高阶导数特征实现地图匹配与配准，通过物理信息高斯过程进行高效概率推断，在无重力对齐条件下仍能取得准确变换结果。
2025-08-21 cs.RO
Closed Form Time Derivatives of the Equations of Motion of Rigid Body Systems
Johannes Kepler University, Linz, Austria（约翰内斯·开普勒大学）；Robotics Innovation Center, DKFI GmbH, Bremen, Germany（机器人创新中心）
本文针对刚体系统运动方程的导数需求，提出最高二阶的闭式时间导数公式，利用李群公式获得紧凑且易参数化的方程，为机器人设计与控制提供直接的结构洞察。
2025-07-15 cs.NA cs.RO math.DG
Performance Analysis of PID, PD and Fuzzy Controllers for Position Control of 3-Dof Robot Manipulator
Hussaini Adamu Polytechnic（侯赛因·阿达姆理工学院）；Bayero University, Kano（卡诺贝罗大学）；Ahmadu Bello University（阿赫马杜·贝洛大学）
机器人操作器由于其巨大的重要性而广泛用于工业应用中，例如在建筑自动化中。因此，设计控制器以适应应用的密集目的是控制研究人员的主要挑战之一。本文对三自由度机器人操作臂的三种控制器进行了比较分析。设计了比例积分微分（PID）、比例微分（PD）和模糊逻辑（FL）控制器，并对机器人的各个环节进行了仿真。使用瞬态和稳态响应特性评估每种控制方法的性能。结果表明，PID和PD在上升时间和建立时间方面表现更好，而FLC表现出更小的超调量
2019-10-26 cs.RO cs.SY eess.SY
Robots State Estimation and Observability Analysis Based on Statistical Motion Models
Department of Mechanical Engineering, University of Hong Kong（香港大学机械工程系）
本文提出了一种通用的运动模型来捕捉移动机器人的动态行为（平移和旋转）。该模型基于白随机过程驱动的统计模型，并在误差状态扩展卡尔曼滤波框架（ESEKF）的基础上形成完整的状态估计算法。这种方法的主要优点是它的通用性，适用于不同的机器人系统，而无需精确建模的机器人的特定动态，并能够估计机器人的（角）加速度，加加速度，或高阶动态状态与低延迟。数学分析与数值模拟显示的属性的统计模型为基础的估计框架，并揭示其连接到现有的低通滤波器。此外，一个新的范式开发的机器人可观性分析的李导数和相关的偏微分直接在流形上。结果表明，这种新的范例是更简单，更自然的比现有的方法的基础上四元数参数化。它也可以扩展到高维系统。引入了一种新的\textbf{\textit{thin}}集合概念来刻画系统状态的不可观测子集，为高维流形上机器人系统的可观测性分析提供了理论基础.最后，在四旋翼无人机、手持平台和地面车辆上进行了大量的实验，包括完整的状态估计和外部校准（包括POS-IMU和IMU-IMU）。与现有方法的比较表明，所提出的方法可以有效地估计所有外部参数，机器人的平移/角加速度和其他状态变量（例如，位置、速度、姿态）的高精度和低延迟。
2020-10-12 cs.CV cs.RO
Experiential Robot Learning with Accelerated Neuroevolution
University of Virginia（弗吉尼亚大学）
基于导数的优化技术，如随机梯度下降，在训练深度神经网络方面取得了广泛的成功。然而，它具有诸如端到端网络可区分性的约束。作为替代，我们提出了加速神经进化算法。新算法是针对物理机器人学习任务的经验机器人学习方法。我们首先在玩游戏Flappy Bird的模拟任务上测试我们的算法，然后在静态对象中心任务中对物理NAO机器人进行测试。代理成功地导航给定的任务，在一个相对较低的代数。基于我们的研究结果，我们建议在更复杂的任务中使用该算法。
2018-08-16 cs.NE cs.RO
A Unified Robust Motion Controller Synthesis for Compliant Robots Driven by Series Elastic Actuators
针对串联弹性驱动器柔性机器人的位置和力控制问题，提出了一种统一的鲁棒运动控制器。它示出的柔性机器人的动力学模型不仅包括匹配，但也不匹配的干扰，通过不同的通道从控制输入作用于系统。为了解决这个复杂的鲁棒控制问题，统一的鲁棒运动控制器合成采用二阶扰动观测器（DOb），这使我们能够估计不仅干扰，而且其一阶和二阶导数，和一种新的控制器设计方法在状态空间。利用Brunovsky正则型变换和扰动及其一阶和二阶导数的估计，重构了机器人的动力学模型，从而得到了一个只包含匹配扰动的新的系统模型。通过传统的基于DOb的鲁棒控制方法消除重构系统模型的匹配干扰，简单地设计了鲁棒位置和力控制器。通过仿真验证了所提出的鲁棒运动控制器的稳定性和性能。
2022-02-01 cs.RO cs.SY eess.SY
Lie Group Formulation of Recursive Dynamics Algorithms of Higher Order for Floating-Base Robots
Robotics and Mechatronics Department, EEMCS Faculty, University of Twente（特文特大学机器人与机电系，EEMCS学院）；Department of Computer, Control and Management Engineering, Sapienza University of Rome（罗马大学计算机、控制与管理工程系）
本文提出基于李群的高阶递归动力学算法，用于浮动基座树状机器人系统，并验证了计算复杂度随导数阶数呈二次增长。
2026-05-07 cs.RO cs.SY eess.SY
A Recursive Lie-Group Formulation for the Second-Order Time Derivatives of the Inverse Dynamics of parallel Kinematic Manipulators
Institute of Robotics, Johannes Kepler University（机器人研究所，约翰尼斯·凯普勒大学）；Robotics Innovation Center, DFKI GmbH（机器人创新中心，DFKI GmbH）
本文首次提出利用李群公式化和递归算法高效计算并联运动学机械臂逆动力学解的二阶时间导数，以支持配备串联弹性执行器的PKM轨迹跟踪控制，并通过数值实验验证方法有效性。
2025-07-18 cs.NA cs.RO math.DG
