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Hierarchical Incremental MPC for Redundant Robots: A Robust and Singularity-Free Approach

Wang, Yongchao und Liu, Yang und Leibold, Marion und Buss, Martin und Lee, Jinoh (2024) Hierarchical Incremental MPC for Redundant Robots: A Robust and Singularity-Free Approach. IEEE Transactions on Robotics, 40, Seiten 2128-2148. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/TRO.2024.3370049. ISSN 1552-3098.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
7MB

Offizielle URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10449433

Kurzfassung

This article presents a model predictive control (MPC) method for redundant robots controlling multiple hierarchical tasks formulated as multilayer constrained optimal control problems (OCPs). The proposed method, named hierarchical incremental MPC (HIMPC), is robust to dynamic uncertainties, untethered from kinematic/algorithmic singularities, and capable of handling input and state constraints such as joint torque and position limits. To this end, we first derive robust incremental systems that approximate uncertain system dynamics without computing complex nonlinear functions or identifying model parameters. Then, the constrained OCPs are cast as quadratic programming problems which result in linear MPC, where dynamically-consistent task priority is achieved by deploying equality constraints and optimal control is attained under input and state constraints. Moreover, hierarchical feasibility and recursive feasibility are theoretically proven. Since the computational complexity of HIMPC drastically decreases compared with nonlinear MPC-based methods, it is implemented under the sampling frequency of 1 kHz for physical experiments with redundant manipulator setups, where robustness (high tracking accuracy and enhanced dynamic consistency), admissibility of multiple constraints, and singularity-avoidance nature are demonstrated and compared with state-of-the-art task-prioritized controllers.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/203423/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Hierarchical Incremental MPC for Redundant Robots: A Robust and Singularity-Free Approach
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Wang, YongchaoTUMhttps://orcid.org/0000-0001-9738-3076NICHT SPEZIFIZIERT
Liu, YangTUMhttps://orcid.org/0009-0000-9982-5819NICHT SPEZIFIZIERT
Leibold, MarionTUMhttps://orcid.org/0000-0002-2802-5600NICHT SPEZIFIZIERT
Buss, MartinTUMhttps://orcid.org/0000-0002-1776-2752NICHT SPEZIFIZIERT
Lee, JinohJinoh.Lee (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4901-7095156181953
Datum:27 Februar 2024
Erschienen in:IEEE Transactions on Robotics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:40
DOI:10.1109/TRO.2024.3370049
Seitenbereich:Seiten 2128-2148
Verlag:IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISSN:1552-3098
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Incremental system, model predictive control (MPC), redundant robots, task prioritized control, time-delay estimation.
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Robotik
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R RO - Robotik
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Laufroboter/Lokomotion [RO], R - Roboterdynamik & Simulation [RO]
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013) > Analyse und Regelung komplexer Robotersysteme
Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013)
Hinterlegt von: Lee, Dr. Jinoh
Hinterlegt am:25 Mär 2024 11:11
Letzte Änderung:25 Mär 2024 11:11

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