[論文レビュー] Design, Implementation, and Cooperative Coevolution of an Autonomous/ Teleoperated Control System for a Serpentine Robotic Manipulator

Donald Sofge, Gerald Chiang|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2007

Soft Robotics and Applications参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、協調的共進化アルゴリズムを用いて自律的および遠隔操作モードを統合する、ヘビ状ロボットアームのハイブリッド制御システムを提示する。低レベルの力/位置フィードバックと高レベルのエンドエフェクタ同期制御を組み合わせることで、地下貯蔵タンクのような閉鎖的環境においても、正確で繊細な操作を実現し、実世界の廃棄物回収応用においても高い性能を示している。

ABSTRACT

Design, implementation, and machine learning issues associated with developing a control system for a serpentine robotic manipulator are explored. The controller developed provides autonomous control of the serpentine robotic manipulatorduring operation of the manipulator within an enclosed environment such as an underground storage tank. The controller algorithms make use of both low-level joint angle control employing force/position feedback constraints, and high-level coordinated control of end-effector positioning. This approach has resulted in both high-level full robotic control and low-level telerobotic control modes, and provides a high level of dexterity for the operator.

研究の動機と目的

• 地下貯蔵タンクのような閉鎖的で危険な環境において、非常に器用でヘビに似たロボットアームを制御する課題に対処すること。
• 作業者の効果性と安全性を向上させるために、自律運転と遠隔操作の両方をサポートする制御システムを開発すること。
• 低レベルの関節制御と高レベルのエンドエフェクタ同期制御を統合することで、精度と適応性を向上させること。
• 複雑で動的なタスクにわたる性能最適化を実現するため、制御パラメータの協調的共進化を可能にすること。
• 原子力廃棄物回収を含む実世界の展開状況において、耐障害性と器用さを確保すること。

提案手法

• 力/位置フィードバック制約を用いた低レベルの関節角度制御を実装する階層的制御アーキテクチャを構築する。
• タスクの目的に基づいてエンドエフェクタの位置決めを管理する高レベルの同期制御を適用する。
• 複数の相互依存するサブポピュレーションにわたる制御パラメータの最適化を最適化するために、協調的共進化アルゴリズムを活用する。
• 二重モード運用を設計：日常的なタスクには自律制御、作業者による介入が必要な場合には遠隔操作を採用する。
• センサーからのリアルタイムフィードバックを統合し、関節軌道を調整して操作中の安定性を維持する。
• 地下貯蔵タンクに類似した環境を想定したシミュレーションおよび実世界の環境でシステムを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘビ状ロボットアームは、閉鎖的で構造のない環境で、どのようにして高い器用さと正確性を達成できるか？
• RQ2 自律的および遠隔操作モードの間でスムーズに切り替えられる制御アーキテクチャはどのようなものか？
• RQ3 協調的共進化は、複雑なタスクにおける多関節ロボットシステムの性能をどのように向上させるか？
• RQ4 力/位置フィードバック制約は、操作中の関節レベル制御の安定性をどのように高めるか？
• RQ5 自律制御は、危険な環境下でもタスクの正確性を維持しながら、作業者の負荷をどの程度軽減できるか？

主な発見

• ハイブリッド制御システムは、模擬地下貯蔵タンク環境において、ヘビ状アームの自律的および遠隔操作運用を成功裏に実現した。
• 協調的共進化は、複雑なタスク空間にわたる制御パラメータ最適化の収束性と性能を顕著に向上させた。
• 低レベルの力/位置フィードバックの統合により、関節レベルの駆動中に安定性と正確性が向上した。
• 高レベルのエンドエフェクタ同期制御により、ごみや制約がある環境でも正確な位置決めが可能になった。
• 実世界のテストにおいて、システムは耐障害性と適応性を示し、原子力廃棄物回収応用への展開を支援した。
• 自律タスク実行により作業者の負荷が軽減された一方で、必要に応じて遠隔操作で完全な制御を維持できた。