制御2026/8/31arXiv:2608.30193v1

機械システムと物理環境の安全な相互作用のための有界性保証付きロバスト半受動速度場制御

Robust Semi-passive Velocity Field Control with Boundedness Guarantees for Safe Interaction between Mechanical Systems and Physical Environment

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外部環境との安全な相互作用を実現するため、エネルギーが一定レベルを超えた場合のみ受動性を保証し、それ以外では性能を優先する半受動速度場制御を提案し、外乱下でもエネルギーと状態が有界に収束することを示した。

詳しい要約

1. どんなもの？

本論文は、機械システムと物理環境との安全な相互作用を実現するための、ロバストな時間変動型 semi-passive velocity field control を提案している。従来の fully passive control はエネルギー受動性を常に保証するが、制御性能に制限を課す。提案法は、エネルギーが事前定義レベルを超えた場合のみ受動性を保証し、それ以外では非受動的な挙動を許容することで、タスク性能と安全性のバランスを図る。また、外乱下でもエネルギーと状態が有界領域に収束することを保証し、さらに closed-loop system と物理環境間の power flow を制約して安全性を高める。

2. 先行研究と比べてどこがすごい？

従来の energetic passivity を保証する制御は、安全な相互作用を実現するが、制御性能に根本的な限界を課し、タスク実行を妨げる場合がある。また、外部外乱によりシステムのエネルギーや状態が動作領域を超える可能性がある。提案法は、受動性の制約を緩和しつつ、エネルギーが高い場合には受動性を保証し、外乱下でも有界性を保証する点で、従来の fully passive control よりも保守的でなく、かつ安全性を維持する。

3. 技術・手法の肝は？

手法の肝は、時間変動する semi-passivity の概念を用いることである。具体的には、エネルギーが事前定義レベルを超えた場合にのみ、force-velocity の入出力ペアに対する受動性を保証する。これにより、タスク性能を維持するための非受動的な挙動を許容しつつ、安全性を確保する。さらに、Lyapunov 解析を用いて、外乱存在下でもエネルギーと状態が有界領域に収束することを証明する。また、power flow を制約する機構を組み込むことで、相互作用時の安全性を強化する。

4. どうやって有効だと検証した？

有効性は数値シミュレーションによって検証されている。具体的なシミュレーション設定や比較対象は要旨からは不明だが、提案法が外乱下でもエネルギーと状態の有界性を保証し、安全な相互作用を実現することを示している。

5. 議論はある？

要旨からは、提案法の限界や実機実験の欠如、パラメータ調整の難しさなどについての議論は不明である。また、semi-passive の概念がどの程度の性能向上をもたらすか、実際のタスクでの有効性についてはさらなる検証が必要と考えられる。

6. 次に読むべき論文は？

要旨で参照されている先行研究は明示されていないが、関連する分野として、passivity-based control や velocity field control の基礎研究が挙げられる。具体的には、Niemeyer と Slotine による teleoperation の passivity-based control や、Li と Horowitz による passive velocity field control などが関連する。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Van Trong Dang, Sumitaka Honji, Takahiro Wada

分類: eess.SY, cs.RO

原文アブストラクト

Controllers that guarantee energetic passivity with respect to the pair of external force and velocity realize safe interaction between the mechanical system and its physical environment. However, solely adhering to energetic passivity constraints may impose fundamental limitations on control performance and, in some cases, prevent the successful execution of controlled tasks. In addition, external disturbances from the physical environment can drive the system energy level and states beyond operational regions, thereby undermining task performance and safety. In this paper, we study a robust time-varying semi-passive velocity field control to aim to relax the inherently conservative nature of fully passive control methods in a controlled manner. Specifically, the proposed control method guarantees passivity of the closed-loop system with respect to the force-velocity input-output pair when the energy level exceeds a predefined level, while permitting non-passive behaviors to preserve task performance otherwise. Furthermore, the energy level and the states of the closed-loop system are proved to converge to bounded domains even in the presence of unpredicted disturbances. Additionally, the proposed method also enables constraining power flow between the closed-loop system and its physical environment to enhance safety in the interaction process. Numerical simulation examples demonstrate the effectiveness of the proposed method.

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