[論文レビュー] Efficient Force Estimation for Continuum Robot

Qingyu Xiao, Yue Chen|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2021

Soft Robotics and Applications参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、繊維ブレグ・グレーティング・センサ（FBGS）と簡略化されたコッサレートロッドモデルを用いて、連続的ロボットにおける曲率に基づく高速かつ高精度な力推定手法を提示する。局所的な曲率の測定値を用いた最小二乗最適化により、単一または複数の外部接触力の大きさと位置を推定し、力の大きさの誤差は5.25–12.87%、位置の誤差は1.02–2.19%に抑えられ、従来手法と比較して29～101.6倍の高速な計算速度を達成した。

ABSTRACT

External contact force is one of the most significant information for the robots to model, control, and safely interact with external objects. For continuum robots, it is possible to estimate the contact force based on the measurements of robot configurations, which addresses the difficulty of implementing the force sensor feedback on the robot body with strict dimension constraints. In this paper, we use local curvatures measured from fiber Bragg grating sensors (FBGS) to estimate the magnitude and location of single or multiple external contact forces. A simplified mechanics model is derived from Cosserat rod theory to compute continuum robot curvatures. Least-square optimization is utilized to estimate the forces by minimizing errors between computed curvatures and measured curvatures. The results show that the proposed method is able to accurately estimate the contact force magnitude (error: 5.25\% -- 12.87\%) and locations (error: 1.02\% -- 2.19\%). The calculation speed of the proposed method is validated in MATLAB. The results indicate that our approach is 29.0 -- 101.6 times faster than the conventional methods. These results indicate that the proposed method is accurate and efficient for contact force estimations.

研究の動機と目的

• 埋め込み力センサが制限される厳密な寸法制約の下で、連続的ロボットに作用する外部接触力を推定する課題に対処すること。
• ロボット先端部でのみ力の検出が可能な従来の力センサの限界を克服すること。
• 曲率測定値を用いてロボット本体に沿った力の大きさと位置を計算的に効率的に推定する手法を開発すること。
• 最小侵襲外科学研究用の安全かつ高精度な相互作用を実現するためのリアルタイム力推定を可能にすること。

提案手法

• 外部モーメントおよび軸方向力がゼロであると仮定することで、回転行列の積分を回避し、曲率を高速に計算できる簡略化されたコッサレートロッドモデルを導出する。
• ロボットの長さに沿って、繊維ブレグ・グレーティング・センサ（FBGS）を用いて局所的曲率を測定し、回転に依存しない耐障害性の高いデータを提供する。
• 力推定問題を最小二乗最適化として定式化し、計算された曲率と測定された曲率の誤差を最小化する。
• 最適な力分布を求めるために、観測された曲率プロファイルと一致するように、推定された力の大きさと位置を含む力ベクトルを求める。
• 境界値問題（BVP）を繰り返し解く必要がなくなり、Levenberg-Marquardt法や微分伝搬法と比較して、計算時間を著しく短縮できる。
• 本モデルは、290 mmのニチノールチューブを用いて、単一、二重、三重の力条件（位置と大きさが変化）で検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 曲率測定値のみで、連続的ロボットにおける力の大きさと位置を高精度に推定できるか？
• RQ2 コッサレートロッドモデルに対するどのような簡略化仮定が、回転行列の積分を回避しつつ推定精度を損なわずに高速な曲率計算を可能にするか？
• RQ3 本手法は、Levenberg-Marquardt法や微分伝搬法といった従来のBVPベースの最適化手法と比較して、速度と精度の面でどのように優れているか？
• RQ4 本手法は、ロボット本体に沿って同時に複数の接触力を信頼性高く推定できるか？
• RQ5 センサのノイズや測定誤差は、曲率に基づく手法による力推定の精度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 本手法は、単一、二重、三重の力の状況において、平均して力の大きさ推定誤差が5.25–12.87%に抑えられた。
• 力の位置推定誤差は平均1.02–2.19%であり、高い空間的精度を示した。
• 単一、二重、三重の力推定における平均二乗誤差（RMSE）は、それぞれ0.084 ± 0.073 N、0.115 ± 0.102 N、0.1090 ± 0.1173 Nであった。
• MATLAB上での単一、二重、三重の力推定に要する計算時間は、それぞれ0.134 s、0.344 s、0.730 sであった。
• 本手法は、微分伝搬法およびLevenberg-Marquardt最適化による境界値問題の解法と比較して、29.0～101.6倍の高速さを達成した。
• 外部モーメントおよび軸方向力がゼロである条件の下で導出された簡略化モデルは、推定精度を損なわずに高速な曲率計算を可能にした。