Variable Stiffness Improves Safety and Performance in Soft Robotics
University of Wollongong（伍伦贡大学）；Lebanese American University（黎巴嫩美国大学）
本文提出了一种新的变刚度软夹持器，使高性能的抓取任务，在工业应用中。所提出的整体式软夹持器的设计包括中间波纹管和两侧波纹管（即，手指）。通过开关控制器调节中间波纹管致动器中的负压来调节手指的位置。通过使用比例气压调节器控制手指中的正压来调节软夹持器的刚度。实验结果表明，所提出的软夹持器可以在250ms内将其刚度调节125%。它还表明，可变刚度的软夹持器可以帮助提高安全性和性能的抓取任务在工业应用中。
2023-02-06 cs.RO cs.SY eess.SY
Assistive Soft Robotic Glove with Ruffles Enhanced Textile Actuators
Queen Mary University of London（伦敦玛丽女王大学）；School of Engineering and Materials Science（工程与材料科学学院）；Centre for Advanced Robotics（高级机器人中心）
本研究针对手部辅助康复需求，研发出采用褶皱增强织物气压驱动器的柔性机器人手套，兼具安全轻便舒适特性，经受试者研究验证其辅助效果，可用于中风后康复与老年人助行。
2024-07-31 cs.RO
Prismatic Soft Actuator Augments the Workspace of Soft Continuum Robots
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
软体机器人具有柔顺性、安全性和高度自由度等优点，在机械操作领域具有广阔的应用前景。然而，常用的双向连续段设计意味着软机器人操作器只能在有限的半球工作空间中工作。本工作通过设计、制造和控制一个附加的柔性棱柱形驱动器来增加柔性机械臂的工作空间。该驱动器由气动人工肌肉和活塞组成，使得驱动器可以反向驱动。我们将任务空间体积增加了116\%，现在我们能够执行以前软体机器人不可能完成的操作任务，例如在表面上的不同位置拾取和放置物体，并从容器中抓取物体。通过将柔性机器人手臂与棱柱关节相结合，我们极大地提高了软体机器人用于物体操作的可用性。这项工作促进了集成和模块化软机器人系统在以人为中心的环境中的实际操作应用的使用。
2022-08-22 cs.RO
Passive Luminescent Bellows Mechanism
Graduate School of Engineering Science, Osaka University（大阪大学工程科学研究生院）
针对灾害现场低能见度问题，本文提出一种由黑光激活的Ecoflex磷光粉末被动发光柔性致动器，验证了其发光与变形能力，并研究了混合比例对性能的影响。
2025-04-05 cs.RO cs.SY eess.SY
Bio-Inspired Pneumatic Modular Actuator for Peristaltic Transport
University of California, Los Angeles（加利福尼亚大学洛杉矶分校）
针对易碎和不规则物体运输难题，本文提出集成甜甜圈形模块与实时压力反馈的气动模块化软体执行器，实现无需复杂算法的稳健、柔性蠕动抓取与运输。
2024-12-06 cs.RO
Geometry-based pneumatic actuators for soft robotics
Institute of Mechanical Intelligence, School of Advanced Studies Sant’Anna (SSSA)（机械智能研究所，圣安娜高级研究所）
基于几何的气动执行器通过可配置约束层实现可预测变形和多状态驱动，应用于外骨骼、触觉接口和双足机器人，提升软机器人性能。
2026-02-27 cs.RO
Electroadhesive Clutches for Programmable Shape Morphing of Soft Actuators
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Toyota Research Institute North America（丰田北美研究院）
软机器人执行器是具有固有顺应性的安全且适应性强的设备，这使得它们对于操纵微妙和复杂的物体具有吸引力。研究人员已经将刚性材料集成到软致动器中，以增加其力容量并指导其变形。然而，这些嵌入的材料在很大程度上是预先规定的和静态的，这将致动器限制在预定的运动范围内。在这项工作中，电粘附（EA）离合器集成在一个单室软气动致动器（SPA）提供本地可编程刚度调制控制致动器的变形。我们发现，激活不同的离合器模式膨胀成金字塔形，圆形和高原形状的硅胶膜。来自这些形状的曲率在致动期间被组合以沿着五个不同的自由度（DoF）在3.7 g和820 g物体上施加力。致动器工作空间最大为12 mm，适用于轻型物体。离合器失活导致局部弹性体膨胀，快速向搁置在表面上的物体施加高达3.2 N的力，并在受控方向上发射3.7 g的物体。致动器还可以将较重的820 g物体旋转5度，并在离合器停用后迅速将其恢复到水平对齐。该致动器由5 V电池、AA电池、DC-DC Transformer和4.5 V（63 g）DC气泵完全供电。这些结果证明了实现具有高DoF形状变化的软致动器的第一步，该软致动器保留了气动致动的固有优点，同时获得了EA离合器的电气可控性和强度。我们设想这样的系统以低轮廓坐立辅助装置、卧床患者操纵器或其他人体工程学机构的形式提供人体接触力。该技术也在ICRA 2022上进行了演示：https://www.youtu…
2022-11-14 cs.RO
Efficient Reduced-Order Models for Soft Actuators
University of Arkansas（阿肯色大学）；Vanderbilt University（范德堡大学）；DePaul University（德保罗大学）
软机器人由于其独特的功能（如合规性和人类安全性）而受到机器人社区越来越多的关注。在医疗保健、康复以及搜索和救援应用中，大量的软机器人原型显示出其优于刚性对应部件的性能。然而，软体机器人尚未在实验室外充分利用其潜力，这可能是由于缺乏先进的传感能力和实时动态模型。在这项试点研究中，我们探索使用高精度，高带宽的变形传感通过光纤应变传感（FOSS）在软弯曲致动器（SBA）。在高密度传感器反馈的基础上，提出了一种降阶运动学模型。结合三次样条插值，该模型能够重建连续变形的SBAs。运动学模型进行了扩展，推导出一个有效的实时运动方程，并对实验数据进行了验证。
2018-11-12 cs.RO
Soft Pneumatic Actuators for Soft Robotics: A Motion-Based Review of Actuation Mechanisms and Performance Trade-offs
本文基于运动类型（直线、弯曲、扭转、全向）分类综述软体气动执行器的设计策略，分析结构特征对运动输出、力产生、空气需求等性能的影响，并讨论选择与比较时的关键条件。
2026-05-24 cs.RO
Robust Silicone Pour Casting and Sensor Embedding Procedures for Soft Robotic Actuators
研究软机器人可重复可扩展制造问题，核心方法是双组分浇注成型制造软气动致动器及嵌入薄膜柔性传感器，并进行有限元建模和多种实验验证，主要贡献是提供稳健制造程序及相关验证，推动软机器人广泛应用。
2026-07-20 cs.RO
Learning from Demonstrations Meets Symbolic Control - A Supervisory Control Architecture for Formal Certification of Learned Motion
Mohamed bin Zayed University of Artificial Intelligence（穆罕默德·本·扎耶德人工智能大学）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
该研究将示范学习与符号控制结合，提出监督控制架构，通过名义控制器跟踪学习到的动力系统、监督控制器监测约束，经模拟和真实机器人实验验证可在复杂环境中为学习运动提供形式化保证。
2026-10-20 cs.RO
A User Study Method on Healthy Participants for Assessing an Assistive Wearable Robot Utilising EMG Sensing
本文提出一种基于肌电传感的用户研究方法，通过在健康受试者上验证一款采用褶皱技术的气动纺织机器人手套在辅助手部运动中的有效性。
2024-07-31 cs.RO
A Lobster-inspired Robotic Glove for Hand Rehabilitation
Monash University（莫纳什大学）；Nanyang Technological University（南洋理工大学）
本文介绍了设计，开发和评价的手康复手套制造使用龙虾启发的混合设计与刚性和柔性组件驱动的初步结果。受龙虾弯曲腹部的启发，混合驱动器由串联连接的刚性外壳组成，内部加压的软腔室驱动，以产生弯曲运动。这种生物灵感吸收了具有精确定义运动生成的经典刚体机器人的特征，以及具有重量轻，物理安全和自适应驱动的新兴软机器人。制造过程中描述，然后通过实验来机械表征这些致动器。最后，一个开放的手掌手套设计集成这些混合驱动器的定性案例研究。通过学习用户前臂表面肌电信号的模式，对辅助手套进行训练，实现手部康复训练。
2020-03-01 cs.LG cs.RO
Input-Constrained Spatiotemporal Tubes for Safe Navigation of Unknown Euler-Lagrange Systems in Dynamic Environments
Department of Cyber-Physical Systems（网络物理系统系）；Indian Institute of Science（印度科学研究院）
针对未知欧拉 - 拉格朗日系统在动态环境中安全导航难题，提出实时控制框架，通过扩展时空管框架纳入输入约束，推导可行性条件，经模拟和硬件实验验证，实现满足执行器约束的安全导航。
2026-07-10 cs.RO cs.SY eess.SY
Safe rendering of high impedance on a series-elastic actuator with disturbance observer-based torque control
Fraunhofer Institute for Production Systems and Design Technology (IPK)（弗劳恩霍夫生产系统与设计技术研究所（IPK））；Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology（大邱庆北科学技术院）
串联弹性致动器的一个重要性能指标是它们可以安全呈现的阻抗范围。先进的转矩控制，使用技术，如干扰观测器，提高转矩跟踪带宽和精度，但它们的安全阻抗范围的影响是不成立的。然而，为了定义安全阻抗范围，需要实际的耦合稳定性条件。在这里，被动为基础的条件，提出了两个变量的DOB转矩控制，并在高刚度的环境中进行了实验验证。虽然高增益PD扭矩控制已被证明可以减少Z宽度，但这里表明，DOB减少了对高增益PD反馈的需求，并允许更高的呈现阻抗。提出了一种动态前馈补偿器，它增加了DOB的最大安全阻抗，在高刚度环境和手动激励的碰撞实验中得到了验证。
2019-12-03 cs.RO
MPC for underactuated spacecraft control with a Lyapunov supervised physics-informed neural network correction layer
Politecnico di Torino（托斯纳理工学院）；Argotec S.R.L.（Argotec公司）
针对欠驱动航天器姿态控制，提出一种分层架构，结合非线性模型预测控制、物理信息神经网络和李雅普诺夫监督机制，在不确定性下降低稳态误差并保持鲁棒性。
2026-08-19 cs.RO cs.SY eess.SY
Explainable AI-Enhanced Supervisory Control for Robust Multi-Agent Robotic Systems
Visual Computing and Computational Media, Texas A&M University（视觉计算与计算媒体，德克萨斯A&M大学）；Mechanical Engineering Department, Texas A&M University（机械工程系，德克萨斯A&M大学）；Department of Marine Engineering Technology, Texas A&M University（海洋工程技术系，德克萨斯A&M大学）
本文提出可解释AI增强监督控制框架，融合时间自动机监督器、滑模控制与可解释预测器，并在航天器编队和AUV中验证其鲁棒性、可移植性与可解释性，显著降低跟踪误差和能耗。
2025-09-18 cs.AI cs.RO cs.SY
Admissibility-Preserving Control for Strict-Feedback Nonlinear Systems with Asymmetric Actuator Constraints
Indian Institute of Technology Bombay（印度理工学院孟买分校）；University of Cincinnati（辛辛那提大学）
本文针对受非对称执行器极限等约束的严格反馈非线性系统，提出保容许性控制框架，结合递归反步与级联保容许性输入实现，通过李雅普诺夫分析保证性能，数值研究验证其有效性。
2026-08-18 cs.RO cs.SY eess.SY
Engagement-Zone-Aware Input-Constrained Guidance for Safe Target Interception in Contested Environments
本文提出一种考虑参与区的输入受限引导方法，用于在对抗性环境中安全拦截目标，通过引入参与区诱导的安全约束和输入饱和动力学，实现多防御者场景下的可扩展安全控制。
2026-03-24 cs.MA cs.RO cs.SY
Combining Performance and Passivity in Linear Control of Series Elastic Actuators
Collaborative Robotics Lab ( Collab )（协作机器人实验室）；Dept. of Mechanical Engineering（机械工程系）；Virginia Tech（弗吉尼亚理工学院）
本文研究串联弹性执行器中安全性与性能的权衡，发现执行器侧PD控制结合弹性传动阻尼器，在低物理刚度与高控制增益下可同时实现精确跟踪与碰撞安全。
2025-09-21 cs.RO
Distributed Safe Consensus Under Asymmetric Input and Time-Varying Output Constraints
Guidance, Autonomy, Learning, and Control for Intelligent Systems (GALACxIS) Lab, Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics, University of Cincinnati（智能系统引导、自主、学习与控制实验室，航空航天工程与工程力学系，辛辛那提大学）；Intelligent Systems and Control (ISaC) Lab, Department of Aerospace Engineering, Indian Institute of Technology Bombay（智能系统与控制实验室，航空航天工程系，印度班加罗尔理工学院）
针对单积分多智能体系统，提出一种结合障碍坐标变换的分布式控制律，同时满足非对称执行器约束和时变输出安全约束，实现渐近同步。
2026-06-16 cs.MA cs.RO cs.SY
Design and Experimental Validation of a 3D Printed Torsional Series Elastic Actuator for Safe Human Robot Interaction
ESPOL Polytechnic University（ESPOL理工大学）
本文设计并实验验证了一种3D打印TPU扭转串联弹性执行器，具有线性响应和低刚度，配合混合位置控制器，实现安全、低成本的人机交互。
2026-09-18 cs.RO
MobileCharger: an Autonomous Mobile Robot with Inverted Delta Actuator for Robust and Safe Robot Charging
Skolkovo Institute of Science and Technology（斯科尔科沃科学技术研究院）
MobileCharger是一种新型的移动充电机器人，具有倒三角形致动器，用于两个移动机器人之间安全可靠的能量传输。基于RGB-D相机的计算机视觉系统允许使用卷积神经网络（CNN）检测目标移动机器人上的电极。嵌入式高保真触觉传感器被应用于基于接触表面上的压力数据使用CNN来估计充电器机构上的电极与主机器人上的电极之间的未对准。因此，所开发的视觉-触觉感知系统允许致动器的末端执行器的精确定位，并确保两个机器人的电极之间的可靠连接。实验结果表明，使用CNN的电极检测的平均精度高（84.2%）。基于CNN的电极搜索算法的成功率达到83%，平均执行时间为60 s。MobileCharger可以引入一个新的充电系统水平，并增加自主移动机器人的普及。
2021-07-23 cs.LG cs.RO
Encoding Material Safety using Control Barrier Functions for Soft Actuator Control
Department of Mechanical Engineering, Rowan University（罗文大学机械工程系）；Advanced Materials & Manufacturing Institute, Rowan University（罗文大学先进材料与制造研究院）
针对软体执行器材料失效风险，本文基于应变能函数形式化定义材料安全，并采用带二次规划反馈控制的HOCBF在加压超弹性管仿真中实现安全约束。
2025-09-28 cs.RO
Safety-Critical Adaptive Impedance Control via Nonsmooth Control Barrier Functions under State and Input Constraints
Department of Electrical and Electronic Engineering, The University of Manchester（电气与电子工程系，曼彻斯特大学）
提出一种在线自适应阻抗控制框架，结合二次规划安全滤波器与新型组合位置-速度非光滑控制障碍函数，在不确定动力学下实现关节状态安全约束与柔顺交互，并通过区间二型模糊逻辑补偿未知动力学、软约束处理执行器力矩限制，利用复合Lyapunov分析证明安全集前向不变性与阻抗跟踪误差一致最终有界。
2026-06-03 cs.RO cs.SY eess.SY
Actuator Fault-Tolerant Vehicle Motion Control: A Survey
Technische Universität Braunschweig（布伦瑞克工业大学）；Institute of Control Engineering（控制工程研究所）
SAE 4级和5级自动驾驶汽车的出现，对所有有助于驾驶任务的功能提出了很高的容错要求。在致动器级别，容错车辆运动控制，它利用致动器之间的功能冗余，是实现所需程度的容错的一种手段。因此，我们给出了一个全面的概述，最先进的执行器容错车辆运动控制的重点是驱动器，制动器，转向退化，以及轮胎爆胎。这篇综述表明，执行器容错车辆运动是一个广泛研究的领域，然而，所提出的方法在许多方面有所不同。为了提供一个出发点，为今后的研究，我们调查所采用的致动器拓扑结构，容忍退化，提出的控制方法，以及进行验证的实验。总体而言，尽管有大量不同的方法，所涵盖的文献揭示了容错车辆运动控制的容错能力提高的潜力。因此，除了开发新的方法或证明实时的适用性，未来的研究应旨在调查的局限性，并使容错运动控制方法的比较，以便进行彻底的安全论证。
2021-07-24 cs.RO cs.SY eess.SY
Conformal Prediction of Motion Control Performance for an Automated Vehicle in Presence of Actuator Degradations and Failures
Institute for Control Engineering, TU Braunschweig（布伦瑞克工业大学控制工程研究所）
本文提出一种数据驱动的保形预测方法，用于在执行器退化或故障时评估自动驾驶车辆运动控制性能，并在运行时为确定容许动作空间提供启发式方法。
2024-07-29 cs.RO cs.SY eess.SY
Novel Supernumerary Robotic Limb based on Variable Stiffness Actuators for Hemiplegic Patients Assistance
Khalifa University（哈利法大学）
上肢运动控制和功能的丧失是中风后患者的持续症状。这将给他们完成日常生活活动带来困难。引入额外机器人肢体（SRL）作为通过引入独立的新肢体来恢复丢失的自由度（DoF）的解决方案。固体火箭发动机的作动系统可分为刚性作动器和柔性作动器。软致动器已被证明在本质安全性、成本和能效方面优于刚性致动器。然而，它们具有低刚度，这危及它们的准确性。可变刚度执行器（VSA）是新开发的技术，已被证明可以确保准确性和安全性。本文介绍了一种新型的基于变刚度驱动器的多余肢体机器人。根据我们的知识，所提出的概念验证SRL是第一个利用可变刚度致动器。开发的SRL将帮助中风后患者完成双手任务，例如，用刀叉吃饭。阐述了系统的建模、设计和实现。通过预定义的轨迹评估和验证了拟议的SRL的准确性。利用动量观测器进行碰撞检测，验证了安全性，并通过软组织损伤试验评价了几种碰撞后反应策略。通过标准的用户满意度调查表对援助过程进行质量核查。
2022-08-06 cs.RO
Design, manufacturing, and inverse dynamic modeling of soft parallel robots actuated by dielectric elastomer actuators
本文提出一种介电弹性体致动器驱动的软体Delta并联机器人，通过角行程放大机构、三维拼插轻量化结构和高稳定性导电涂层电极改善性能，并基于扩展Bergstrom-Boyce模型建立逆动力学模型，实现输出力预测与轨迹跟踪。
2024-09-30 cs.RO cs.SY eess.SY
Data-driven Force Observer for Human-Robot Interaction with Series Elastic Actuators using Gaussian Processes
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；TUM School of Computation, Information and Technology（慕尼黑工业大学计算、信息与技术学院）；BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant’Anna（圣安娜高等学校生物机器人研究所）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
针对串联弹性驱动器人机交互中传统观测器依赖精确系统模型的难题，提出基于高斯过程回归学习未知动力学并结合贝叶斯滤波的力观测器，提升了估计精度并给出误差边界，在人-外骨骼交互实验验证有效。
2024-05-14 cs.LG cs.RO cs.SY
Magnetically Self-Sealed MR Haptic Actuator With PWM-Based Excitation and High-Fidelity Torque Control
Imperial College London（伦敦帝国学院）；Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）
该研究提出一种集成式MRF触觉系统，采用磁自密封旋转执行器与高保真力矩控制，通过优化磁通量布置提升性能，其控制器较PID大幅降低误差，可稳定运行，将变革人机协作模式。
2026-08-21 cs.RO cs.SY eess.SY
Safety-Augmented Operation of Mobile Robots Using Variable Structure Control
Wayne State University（韦恩州立大学）；EPSI；Danieli Automation（达涅利自动化）
现有安全控制的设计过程和复杂性在很大程度上取决于环境的几何特性，这影响了控制的收敛性、设计可扩展性、性能鲁棒性和数值效率。因此，本文提出了一种变结构控制隔离的控制结构的环境的几何复杂性。超扭曲算法用于实现精确的轨迹跟踪和鲁棒安全控制。安全控制仅基于距离测量设计。首先，标称避障安全模型推导出，其中考虑现实的系统约束。标称模型非常适合避障、地理围栏和边境巡逻的安全控制设计，并具有经分析证明的稳定性结果。安全控制利用距离测量，通过补偿机器人的角速度来保持安全距离。为了保证系统的整体稳定性和安全性，设计了一个监控逻辑。在参数不确定性和环境不确定性条件下，运行安全性和精确跟踪都得到了验证。所提出的设计是模块化的，具有最少的调整参数，这减少了计算负担，提高了控制的可扩展性。对各种案例研究所提出的方法的有效性进行了验证。
2021-04-28 cs.RO cs.SY eess.SY
Meta Preference Learning for Fast User Adaptation in Human-Supervisory Multi-Robot Deployments
Kent State University（肯特州立大学）；College of Aeronautics and Engineering（航空航天与工程学院）；Robotics Institute（机器人研究所）；Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）
随着多机器人系统（MRS）被广泛应用于各种任务中，例如自然灾害响应和社会安全，人们热切地期望MRS能够无处不在，使得普通用户无需大量训练就可以容易地操作。然而，人类对任务性能和安全性之间的平衡有各种偏好，对MRS控制提出了不同的要求。不遵守偏好会使人们在操作中感到困难，并降低人们使用MRS的意愿。因此，为了提高社会接受度以及性能，迫切需要在触发人类校正之前根据人类偏好调整MRS行为，这增加了认知负荷。提出了一种新的Meta Preference Learning（MPL）方法，使MRS能够快速适应用户偏好。基于Meta学习机制的MPL可以从有限的指令中快速评估人的偏好，然后，基于神经网络的偏好模型调整MRS行为以适应偏好。为了验证方法的有效性，设计了“一个MRS在地震灾害现场搜索受害者”的任务场景; 20个人类用户参与识别偏好为“积极”、“中等”、“保守”;基于用户指导和领域知识，模拟了大约20，000个偏好，以涵盖与“任务质量”、“任务进度”、“机器人安全”相关的不同操作。MPL在偏好适应中的有效性通过减少人类干预的持续时间和频率来验证。
2021-03-14 cs.RO
Characterization and Thermal Management of a DC Motor-Driven Resonant Actuator for Miniature Mobile Robots with Oscillating Limbs
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）；Max Planck Institute for Intelligent Systems（马克斯·普朗克智能系统研究所）
在本文中，我们的性能特点和开发热管理解决方案的直流电机驱动的谐振驱动器扑翼微型飞行器。作动器是一个与扭簧并联的直流微型齿轮电机，驱动机翼往复运动。与单独的齿轮电机相比，这种设计分别将扭矩和功率密度提高了161.1%和666.8%，同时将汲取电流降低了25.8%。与非线性空气动力学载荷隔离的致动器的表征导致与其他致动器直接可比的标准度量。由于热效应，出于低重量考虑而选择的微电机在有限的持续时间内以高功率运行。为了预测系统性能，开发了集总参数热路模型。该微电机的关键模型参数，两个数量级小于以前的特点，实验确定。这包括可变绕组电阻、衬套摩擦、速度依赖性强制对流和增加阻尼器的影响。然后，该模型被用来确定一个安全的操作包线的车辆，并设计一个重量最佳的发动机。这种致动器设计和热建模方法可以更普遍地应用于提高任何微型移动机器人或具有电机驱动的振荡肢体或负载的设备的性能。
2020-01-24 cs.RO cs.SY eess.SP
All-Electric Heavy-Duty Robotic Manipulator: Actuator Configuration Optimization and Sensorless Control
Faculty of Engineering and Natural Sciences, Tampere University（工程与自然科学学院，塔尔皮莱大学）
本文提出统一框架，集成EMLA驱动的全电动重型机械臂建模、基于NSGA-II与深度神经网络的执行器配置优化，以及基于物理信息Kriging代理模型的无传感器控制，并通过实验验证其轨迹跟踪与控制效果。
2025-09-19 cs.RO cs.SY eess.SY
Momentum Control of Humanoid Robots with Series Elastic Actuators
Istituto Italiano di Tecnologia（意大利技术研究院）
类人机器人可能需要在关节水平上具有一定程度的顺应性，以提高效率、耐冲击性以及与人类的安全交互。然而，关节弹性的存在使得平衡和行走控制器的设计复杂化。本文提出了一种控制框架，用于扩展基于动量的控制器开发的刚性执行器的情况下，串联弹性执行器。关键是将电机速度作为中间控制输入，然后应用高增益控制来稳定期望的电机速度，从而实现动量控制。机器人iCub模型上进行的仿真验证了所提出的方法的合理性。
2017-03-06 cs.RO math.OC
A Sliding Mode Force and Position Controller Synthesis for Series Elastic Actuators
University of Wollongong（伍伦贡大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）
研究了串联弹性作动器的鲁棒力和位置控制问题。研究表明，串联弹性作动器的力控制问题可以用一个只受匹配扰动的二阶动力学模型来描述。然而，位置控制动态的串联弹性致动器是四阶的，包括匹配和失配干扰。换句话说，串联弹性致动器的位置控制比其力控制更复杂，特别是当考虑干扰时。提出了一种基于干扰观测器和滑模控制的串联弹性作动器鲁棒运动控制器。当所提出的鲁棒运动控制器被实施时，串联弹性致动器可以精确地跟踪期望的轨迹，并安全地接触未知的动态环境。所提出的运动控制器不需要精确的动态模型的致动器和环境。因此，它可以应用于许多不同的先进机器人系统，如顺应性人形机器人和外骨骼。实验验证了运动控制器的有效性。
2019-03-13 cs.RO
Design, Modelling, and Control of a Reconfigurable Rotary Series Elastic Actuator with Nonlinear Stiffness for Assistive Robots
National University of Singapore（新加坡国立大学）；Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
在辅助机器人中，柔顺驱动器是建立安全和令人满意的物理人机交互（pHRI）的关键部件。柔性致动器的性能在很大程度上取决于弹性元件的刚度。通常，低刚度是期望的，以实现低阻抗、力控制的高保真度和安全的pHRI，而高刚度是需要的，以确保足够的力带宽和输出力。然而，这些要求是相互矛盾的，往往因任务和条件的不同而有所不同。为了解决刚度选择的矛盾，提高对不同应用的适应性，开发了一种可重构的非线性刚度旋转串联弹性驱动器（RRSEAns）。本文建立了可重构旋转串联弹性元件的精确模型，研究了其调整原理，并进行了详细的分析和实验验证。RSEAn可以提供从0.095 Nm/deg到2.33 Nm/deg的宽范围的刚度，并且可以相对于可重构RSEE的不同配置产生不同的刚度分布。的RRSEAns的整体性能进行了验证，通过实验的频率响应，转矩控制和pHRI，这是足够的大多数应用程序中的辅助机器人。具体而言，在透明/人工负责模式下，相互作用扭矩的均方根（RMS）误差低至0.07 Nm，证明了RRSEAn在pHRI中的优势。
2022-05-28 cs.RO
Safe Balancing Control of a Soft Legged Robot
Boston University（波士顿大学）；Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）
由软材料制成的足式机器人通常被认为比刚性机器人更安全，更强大的环境相互作用。然而，与刚性运动相比，软体机器人的这种激励特征需要更严格的开发。本文介绍了一种柔性足式机器人平台Horton，以及一种在其操作的某些方面具有安全保证的反馈控制系统。该机器人是使用一系列柔软的肢体，由热形状记忆合金（SMA）丝肌肉驱动，其位置和致动器温度的传感器。一个监督控制方案保持安全的致动器状态，在操作过程中的一个单独的控制器的机器人的姿势。实验表明，霍顿可以抬起腿并保持平衡，这是运动的前兆。在平衡过程中，通过人机交互测试在硬件中验证监督程序，使所有SMA肌肉保持在温度阈值以下。这项工作是第一次演示的安全验证反馈系统的任何软足式机器人。
2022-09-27 cs.RO
A Real-Time Neuro-Symbolic Ethical Governor for Safe Decision Control in Autonomous Robotic Manipulation
本文提出一种实时神经符号伦理控制器，通过整合伦理推理与风险评估机制，提升自主机器人操作中的安全决策能力，实验验证了其在不同人类接近度和操作风险下的有效性。
2026-03-15 cs.AI cs.LG cs.RO
Hazard Analysis of Collaborative Automation Systems: A Two-layer Approach based on Supervisory Control and Simulation
Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）
针对复杂协作自动化系统传统危险分析依赖人工且物理测试成本高、风险大的问题，提出结合监督控制理论形式化穷尽分析与仿真领域风险指标详细分析的两层方法，并在工业人机协作系统中验证。
2022-09-26 cs.RO
A Lobster-inspired Hybrid Actuator With Rigid and Soft Components
Monash University（莫纳什大学）
软致动器已经引起了研究人员的极大关注，其固有的顺应性设计可以解决物理人机交互中的安全问题。然而，由于其固有的材料柔软性，它们也是脆弱的，并在设计，制造和分析中提出了新的挑战。在本文中，提出了一种新的混合驱动器的设计与生物的灵感，从龙虾，或甲壳类动物在更广泛的角度。我们封闭一个软腔与矩形横截面使用一系列的铰接刚性壳产生弯曲下的气动输入。通过模仿龙虾腹部的外壳图案，可折叠的刚性外壳被设计为在整个运动范围内为软致动器提供全面保护。刚性壳体的铰接预先定义了致动器的弯曲运动。其结果是，所提出的设计，使一个分析这种混合致动器与简化的准静态模型和刚体运动学，这是进一步验证了机械试验。本文表明，所提出的混合驱动器的设计是能够桥接的主要设计缺陷的完全刚性和软体机器人，同时保持其工程性能的优点。
2020-03-01 cs.RO
Networked Admissibility-Preserving Control for Directed Safe Coordination
University of Cincinnati（辛辛那提大学）；Indian Institute of Technology Bombay（印度理工学院孟买分校）
针对有向图下受物理输入约束的标量智能体，提出网络化可容许性保持控制架构，通过精确级联实现指数共识并保证安全走廊与执行器区间前向不变。
2026-09-10 cs.MA cs.RO cs.SY
Vision-based Goal-Reaching Control for Mobile Robots Using a Hierarchical Learning Framework
Faculty of Engineering and Natural Sciences, Tampere University（工程与自然科学学院，塔尔皮莱大学）
本文提出一种基于视觉的目标到达控制框架，通过分层学习方法提高移动机器人在复杂地形中的安全性和稳定性。
2026-08-26 cs.RO
Passivity guaranteed stiffness control with multiple frequency band specifications for a cable-driven series elastic actuator
Tianjin Key Laboratory of Intelligent Robotics, Nankai University（天津智能机器人重点实验室，南开大学）
本文针对电缆驱动串联弹性执行器的刚度控制问题，提出了一种基于H∞综合方法的改进方案，通过在特定频率带内满足被动性、执行器限制、扰动抑制和噪声抑制等约束条件，提升了刚度控制的精度和鲁棒性。
2019-03-23 cs.RO cs.SY eess.SY
Reversible Simplex Supervision with Post-Action Debt Accounting for Goal-Reaching RL
Faculty of Engineering（工程学院）；Natural Sciences（自然科学）；Tampere University（塔尔库大学）
本文提出一种基于强化学习的控制框架，通过Lyapunov-like稳定器保证移动机器人在无结构环境中的目标到达，提升目标到达率至99%
2026-09-16 cs.RO
Interactive-Rate Supervisory Control for Arbitrarily-Routed Multi-Tendon Robots via Motion Planning
University of Utah（犹他大学）；University of Tennessee（田纳西大学）
肌腱驱动机器人，其中一个或多个肌腱在张力下弯曲并操纵柔性脊柱，可以改善涉及人体难以到达区域的微创手术。在受约束的解剖环境中安全地规划运动需要形状估计和碰撞检查的准确性和效率。肌腱机器人采用任意路线的肌腱可以实现复杂而有趣的形状，使它们能够到达难以到达的解剖区域。非线性路径肌腱驱动机器人具有非直观的非线性运动学。因此，我们设想临床医生利用辅助交互速率运动规划器在微创外科手术过程中自动生成无碰撞轨迹到临床医生指定的目的地。标准的运动规划技术不能实现交互率运动规划与目前昂贵的肌腱机器人运动学模型。在这项工作中，我们提出了一个3阶段的运动规划系统的任意路由肌腱驱动的机器人与预计算阶段，负载阶段，和监督控制阶段。我们的系统通过开发快速运动学模型（比当前模型快1,000倍以上），快速体素碰撞方法（比标准方法快27.6倍）以及利用具有预体素化顶点和边缘的整个机器人工作空间的预计算路线图来实现交互速率。在模拟实验中，我们表明，我们的运动规划方法实现了高尖端位置的准确性，并产生计划，平均在14.8 Hz的分段塌陷肺胸膜空间解剖环境。我们的结果表明，我们的方法是17,700倍的速度比流行的现成的运动规划算法与标准FK和碰撞检测方法。我们的开源代码可在线获取。
2022-11-29 cs.RO
Control-Oriented Learning for Dynamic Tracking and Stability Analysis of Soft Pneumatic Actuators
Vanderbilt University（范德堡大学）
本文提出面向控制的数据驱动框架，将柔性气动驱动器行为分解为非线性静态平衡模型与EDMDc辨识的线性残差动力学模型，实现高精度轨迹跟踪、实时避障及稳定性分析验证。
2026-08-27 cs.RO
Delay-aware Robust Control for Safe Autonomous Driving
IIT Kharagpur（印度理工学院卡哈拉格普尔分校）；Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）；Cleveland State University（克利夫兰州立大学）
针对自动驾驶中计算、执行器及处理延迟，提出统一框架，结合鲁棒管模型预测控制与自适应卡尔曼滤波，兼顾安全与低保守性，并可为无延迟高级控制器提供安全保护。
2023-10-16 cs.RO
Learning physics-informed simulation models for soft robotic manipulation: A case study with dielectric elastomer actuators
University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Ghent University（根特大学）；imec（微电子研究中心）
软致动器提供了一种安全，适应性强的方法，如温柔的抓取和灵巧的操纵任务。然而，由于可变形材料的复杂物理特性，创建精确的模型来控制这样的系统是具有挑战性的。精确的有限元法（FEM）模型导致闭环使用的过高的计算复杂性。使用微分模拟器是一个有吸引力的替代方案，但其适用性的软致动器和可变形材料仍然未充分探索。本文提出了一个框架，结合两者的优点。我们学习一个可微的模型组成的材料属性神经网络和分析动力学模型的其余部分的操作任务。该物理模型使用FEM生成的数据进行训练，可用于闭环控制和推理。我们评估我们的框架上的介电弹性体致动器（DEA）硬币拉任务。我们模拟了使用DEA沿着摩擦接触的表面拉硬币的任务，使用FEM，并评估了模拟，控制和推理的物理模型。与FEM相比，我们的模型达到了< 5%的仿真误差，并且我们将其用作MPC控制器的基础，该控制器需要比无模型的演员-评论家，PD和启发式策略更少的迭代来收敛。
2022-07-16 cs.AI cs.RO
xBalloon: Animated Objects with Balloon Plastic Actuator
Japan Advanced Institute of Science and Technology（日本北陆先端科学技术大学院大学）
形状改变界面是有希望的，为用户改变常见对象的物理属性。然而，致动装置的流行方法需要非专业用户通常无法获得的专业设备或材料。在这项工作中，我们专注于可控软致动器与充气结构，因为他们是软的，因此安全的人机交互。我们提出了一种软致动器的设计，称为xBalloon，这是可行的，廉价的，易于制造。它由气球和塑料等日常材料组成，可以非常有效地实现弯曲驱动。为了表征，我们制造了具有不同几何参数的xBalloon样品，并对其进行了弯曲性能测试，并找到了描述形状和弯曲宽度之间关系的分析模型。然后，我们使用xtons动画一系列常见的对象，都可以令人满意的工作。我们进一步验证了关于制造的用户体验，发现即使是那些事先没有机器人知识的人也可以轻松自信地制造xtrons。鉴于所有这些优势，我们相信xBalloon是交互设计和娱乐应用的理想平台。
2021-09-10 cs.HC cs.RO
Design and Control of a Novel Variable Stiffness Series Elastic Actuator
University of Wollongong（伍伦贡大学）；University of Wollongong in Dubai（迪拜伍伦贡大学）
阐述了一种新型变刚度串联弹性作动器的设计与控制。它是通过采用模块化的机械设计方法，使我们能够有效地优化刚度调制特性和功率密度的致动器。所提出的VSSEA具有以下特点：i）不限制输出杆的工作范围; ii）宽的刚度调节范围（~ 20 Nm/rad ~ 1 KNm/rad）; iii）平衡和非平衡位置的低能耗刚度调节; iv）紧凑的设计和高扭矩密度（~ 36 Nm/kg）; v）高速刚度调节（~ 3000 Nm/rad/s）。这些功能可以帮助提高许多先进机器人系统的安全性和性能，例如，协作机器人与非结构化环境进行物理交互，外骨骼为人类用户提供物理帮助。这些特征还可以使我们能够利用可变刚度特性，仅通过采用常规控制器来实现各种调节和轨迹跟踪控制任务，从而消除了在顺应性致动中合成复杂运动控制系统的需要。为此，实验证明，建议VSSEA是能够精确地跟踪所需的位置和力控制参考，通过使用传统的比例积分微分（PID）控制器。
2023-01-03 cs.RO
NeuroEvolution algorithms applied in the designing process of biohybrid actuators
University of the West of England（西英格兰大学）；University of Novi Sad（诺威萨大学）
本研究针对生物混合致动器设计难题，对比分析NEAT、HyperNEAT两种神经进化算法与AFPO算法的优化效果，采用客户端-服务器架构加速计算，发现HyperNEAT在兼顾最小体积与达标位移的形态设计上表现最优。
2024-08-14 cs.RO
DSO-VSA: a Variable Stiffness Actuator with Decoupled Stiffness and Output Characteristics for Rehabilitation Robotics
DSO-VSA 通过解耦刚度与输出特性，提供了一种适用于康复机器人的可变刚度执行器，实现了连续刚度调节和双电机负载共享。
2025-12-21 cs.RO
