[論文レビュー] A MATLAB Toolbox for Hybrid Rigid Soft Robots Based on the Geometric Variable Strain Approach

Anup Teejo Mathew, Ikhlas Ben Hmida+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

Soft Robotics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、コッサレートロッド理論に基づく幾何学的変形率（GVS）アプローチを用いた、MATLABツールボックスSoRoSimを提示する。このツールボックスは、ソフトロボット、剛体ロボット、ハイブリッドロボットシステムの静的・動的モデリングを、高精度かつ計算効率が高く、高速に実行可能にする。幾何学的正確性を最大限に活かして自由度を最小限に抑えることで、文献との整合性を確認し、オープン・チェーン、ブランチド・チェーン、クローズド・チェーンの多様なロボット構成（さまざまなアクチュエータおよび荷重条件を含む）を対象として、リアルタイムまたはリアルタイムを超えるシミュレーション性能を達成する。

ABSTRACT

Soft robotics has been a trending topic within the robotics community for almost two decades. However, available tools for the modeling and analysis of soft robots are still limited. This paper introduces a user-friendly MATLAB toolbox, Soft Robot Simulator (SoRoSim), that integrates the Geometric Variable Strain (GVS) model of Cosserat rods to facilitate the static and dynamic analysis of soft, rigid, or hybrid robotic systems. We present a brief overview of the design and structure of the toolbox and validate it by comparing its results with those published in the literature. To highlight the toolbox's potential to efficiently model, simulate, optimize, and control various robotic systems, we demonstrate four sample applications. The demonstrated applications explore different actuator and external loading conditions of single-, branched-, open-, and closed-chain robotic systems. We think that the soft-robotics research community will significantly benefit from the SoRoSim toolbox for a wide variety of applications.

研究の動機と目的

• ソフトロボットおよびハイブリッドロボットシステムのモデリングおよび解析に向けた、ユーザーフレンドリーで、高精度かつ計算的に効率的なツールの不足に対処すること。
• 従来の剛体ロボットモデリングとソフトロボティクスの間のギャップを埋めるために、幾何学的に正確な手法をハイブリッドシステムに拡張すること。
• 最小限のユーザー固有のコーディングで、シミュレーション、最適化、制御のための統合的で直感的なMATLABベースのフレームワークを提供すること。
• モデルベース制御や設計最適化の応用に適した、リアルタイムまたはリアルタイムを超えるシミュレーションを可能にすること。

提案手法

• ツールボックスは、コッサレートロッド理論から導出された幾何学的変形率（GVS）定式化を実装し、1次元連続体としてのソフトリンクの幾何学的に正確なモデリングを可能にする。
• GVS方程式の数値的解法に、ネストドされたガウス・クワズイルールを採用することで、計算効率と精度の両方を向上させる。
• ユーザーフレンドリーなGUIとMATLABワークスペース統合により、リンク、ジョイント、自由度、制約、外部力および駆動力の定義が容易になる。
• 編集可能なMATLABファイルを通じて、外部力および駆動力関数をカスタマイズ可能であり、最適化および制御ツールボックスとの統合を可能にする。
• 自由度を最小限に抑える変形率パラメータ化を用いることで、剛体リンクおよびソフトリンクを併用したオープン・チェーン、ブランチド・チェーン、クローズド・チェーンのロボットシステムを処理可能である。
• MATLABのエコシステム（特に最適化ツールボックスおよびユーザー定義関数）を活用することで、制御および設計タスクへのスムーズな拡張が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GVSアプローチを用いたMATLABベースのツールボックスは、ソフトロボットおよびハイブリッドロボットシステムのシミュレーションにおいて、高い正確性と計算効率を達成できるか？
• RQ2 GVSベースのアプローチは、従来のFEMおよび集中質量法と比較して、速度および自由度の点でどの程度優れているか？
• RQ3 このツールボックスは、多様なアクチュエータおよび荷重条件の下で、ブランチドおよびクローズド・チェーンの構成を含む多様なロボット構成をどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ4 モデルベース制御応用に適した、リアルタイムまたはリアルタイムを超えるシミュレーションを実現できるか？
• RQ5 このツールボックスは、既存の文献および数値研究の結果をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• すべてのテスト例において、SoRoSimツールボックスはリアルタイムまたはリアルタイムを超えるシミュレーション性能を達成しており、シミュレーション実行時間（ts）が常にリアルタイム時間（tmax）未満である。
• 発表済みの文献および数値研究との整合性を確認することで、GVS定式化の信頼性が裏付けられ、高い正確性が示された。
• 変形率に基づくパラメータ化を用いた幾何学的に正確なコッサレートロッドモデリングにより、FEMおよび集中質量法と比較して必要な自由度が削減され、より高速かつ効率的なシミュレーションが実現された。
• 単一、ブランチド、オープン・チェーン、クローズド・チェーンの多様なロボット構成をカバーすることができ、柔軟なアクチュエータおよび外部荷重設定が可能である。
• MATLABツールボックスおよびユーザー定義関数との統合により、最適化および制御タスクへのスムーズな拡張が可能となり、研究および工学的応用における実用性が向上した。
• パフォーマンスベンチマークの結果、アクチュエータの力の計算は最大でリアルタイムの2.5倍の速度で実行可能であり、モデルベース逆動的制御への応用が可能であることが示された。