ICRA 2025 · Robotics

Adaptive Compliance Policy

Learning Approximate Compliance for Diffusion Guided Control — 让视觉运动策略学会“该软的时候软”
Yifan Hou, Zeyi Liu, Cheng Chi, Eric Cousineau, Naveen Kuppuswamy, Siyuan Feng, Benjamin Burchfiel, Shuran Song · Stanford University & Toyota Research Institute

顺应性(compliance)在操作中至关重要,它在不确定性下平衡位置与力的控制,却几乎被今天只做位置控制的 visuomotor policy 忽略。ACP 在 diffusion policy 输出位姿之外,额外在线预测随空间、时间变化的近似刚度,从人类演示中学习“何时该顺应、沿哪个方向顺应”,在接触丰富任务上比 SOTA 视觉运动策略提升 50%+

cs.RODiffusion Policy + Compliance2 项接触丰富真机任务 📄 arXiv:2410.09309 🌐 Project page
compliance controldiffusion policy接触丰富操作force-torque sensingstiffness matrixvirtual target posebimanual manipulationimitation learning

01 Motivation

接触丰富操作(翻起物体、擦拭曲面)需要在位置与力之间取得平衡:接触前要精确跟踪轨迹,接触后要顺应表面、避免过大接触力。现有 visuomotor policy 只预测位姿、用固定刚度执行;而顺应性其实需要沿时间(接触前后不同)、沿空间(不同轴需要不同刚度)、以及随任务三个维度变化。此前方法要么手工预选参数,要么假设均匀恒定刚度,鲁棒性受限。

“…we estimate an approximate compliance profile with two useful properties: avoiding large contact forces and encouraging accurate tracking.” —— 不去求解完整(且病态的)顺应性参数,而是估计满足两条性质的近似顺应性。
compliance requirements
Fig 1 · 顺应性需求示意。左:翻起手机需要“时间上变化”的刚度——沿轨迹方向低刚度 K₂、垂直方向高刚度 K₁(K₁ ≫ K₂)。右:双臂擦拭花瓶时,两只手臂在 3D 空间需要各自不同的顺应方向(红=高刚度、绿=低刚度)。
96Flipping 总成功率 (%),ACP
93.75Vase Wiping 总成功率 (%),ACP
50%+相对 SOTA 视觉运动策略提升
2接触丰富真机任务

02 Method

ACP 在标准 diffusion policy 之上,让网络在预测参考位姿的同时,额外预测顺应性(近似刚度)。核心思想(Theorem 1):在“接触力主导、接触力非零、非夹持接触”三条假设下,机器人只需在反馈力方向上使用低刚度、其余方向保持高刚度,即可满足接触约束——既避免大接触力,又不牺牲跟踪精度。

policy architecture comparison
Fig 2 · 三种策略对比与位姿表示。左起:Compliant policy(只出 Pose,接顺应控制器)、Stiff policy(Pose + 顺应控制器但均匀低层刚度)、ACP(同时输出 Pose / Stiffness / Virtual Target,经 Compliance Computation 得到 Stiffness Matrix 再送 Compliance Controller)。最右:ACP 推理出的 Reference Pose(黄)、Virtual Target Pose(橙)与 Compliance direction(黄箭头)在翻起任务中的可视化。

近似顺应性:方向 + 幅值

刚度矩阵按“方向”和“幅值”两部分构造:方向——低刚度 klow 对齐反馈力向量,其余所有方向用高刚度 khigh幅值——klow 随力的大小以分段函数递减,力越大越顺应,从而平滑适配。这样避免了从人类演示中直接反解完整顺应性这一“ill-defined problem”。

力感知与网络结构

系统用一颗 ATI mini-45 力/力矩传感器(7000Hz 采集,部分变体降采样到 250Hz)。论文对比两种力编码:(1) temporal convolution——32 个力时刻经 5 层 causal convolution → 768D 向量;(2) FFT encoding——把 6D wrench 转成频谱图 (6×30×17),用带 coordinate convolution 的 ResNet-18 处理。二者与 CLIP-ViT-B/16 图像特征(224×224,两帧)一起做 transformer self-attention,并拼接 3 帧位姿历史。

Diffusion 输出与统一执行

策略每只手臂输出 19D:Reference pose (9D,位置 + 旋转矩阵前两行)、Virtual target pose (9D,由参考位姿与力经弹簧模型算出的真实顺应控制器目标)、以及 low-stiffness 方向的刚度幅值标量 (1D)。该表示让策略能在力控或导纳控制等不同底层接口上统一执行。

03 Experiments

在两个接触丰富真机任务上评测。所有方法在相同数据、相同训练轮数下对比:ACPACP w/o FFT(用 causal convolution 代替 FFT 编码力)、Stiff policy(带力输入、均匀低层刚度 k=500 N/m 的标准 diffusion policy)、Compliant policy(不预测顺应性)。

Task I · Item Flipping(翻起物体)

用点状手指抵住墙角枢转,把物体翻起。15 种物体、230 段演示、训练 300 epoch;5 类场景各 20 次共 100 次测试。

场景(成功率 %)StiffCompliantACP w/o FFTACP
Train Items20809090
Unseen Items01510095
Push & Flip51510095
Varied Fixture35595100
Unstable Fixture10090100
Overall14239596

ACP 能容忍较大的位置不确定性同时维持接触;当物体较硬或不确定性方向不对齐时,baseline 会脱离接触。

Task II · Vase Wiping(擦拭花瓶)

双臂任务:左臂握持随机摆位的花瓶,右臂用海绵工具擦除随机形状的记号,200 段演示。评测“3 次擦拭内擦净”。(Stiff policy 把工具压断,被排除出最终对比。)

场景(成功率 %)CompliantACP w/o FFTACP
Small Mark60100100
Large Mark206080
Perturbation before contact2575100
Perturbation after contact100100100
Overall43.7581.2593.75
predicted stiffness during wiping
Fig 7 · 擦拭任务中 ACP 预测的刚度演化(world frame)。上:x/y/z 三轴刚度随时间变化,接触阶段(Horizon 3–4)明显下降以顺应瓶面,虚线为未执行动作。下:擦拭过程中的 Reference Pose(黄)、Virtual Target Pose(橙)与顺应方向。

Ablations & 定性对比

wiping method comparison
Fig 8 · 擦拭定性对比(三行)。ACP(上)保持接触并擦净;Stiff policy(中)施力过大导致 Broken Tool;Compliant policy(下)对摩擦敏感而 Lose Contact,擦不干净。

消融显示:FFT encoding 在“大面积记号”等需要多次擦拭的场景优于 temporal convolution(Large Mark 80 vs 60);去掉顺应性预测的 Compliant policy 因摩擦敏感而失接触,均匀高刚度的 Stiff policy 则接触力过大甚至损坏工具——印证了“沿力方向低刚度、其余高刚度”这一近似顺应性设计的价值。

04 Limitations

Note: 原文没有独立的 Limitations 章节;以下各点为从方法假设与实验设置推断(inferred),非作者显式列举。
依赖“接触力主导”等假设(inferred)

Theorem 1 需要接触力主导、接触力非零、非夹持接触三条假设,因此不适合快速运动或重物——这类情形下惯性力/重力可能超过接触力,近似顺应性不再成立。

仅验证 3D 平移顺应性(inferred)

实验只在 3D 平移空间评测顺应性;论文提到 6D(含旋转)在原理上可行,但未做验证。

训练时使用“事后”力信息(inferred)

训练时对力做 1 秒滑动平均滤波,引入了推理阶段不可得的 hindsight information,存在训练/推理不一致的隐患。

任务范围有限(inferred)

仅在 flipping 与 vase wiping 两个特定任务上演示,向更广泛接触丰富任务的泛化程度尚不清楚。