[論文レビュー] Model Based Control of Soft Robots: A Survey of the State of the Art and Open Challenges

Cosimo Della Santina, Christian Duriez+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2021

Soft Robotics and Applications被引用数 40

ひとこと要約

この論文は、ソフトロボットの有限次元モデルベースの制御手法を概観し、扱いやすい常微分方程式ベースの近似と無限次元の偏微分方程式モデルを対比し、制御戦略、平衡点、アクチュエータ動力学、シミュレータについて論じる。

ABSTRACT

Continuum soft robots are mechanical systems entirely made of continuously deformable elements. This design solution aims to bring robots closer to invertebrate animals and soft appendices of vertebrate animals (e.g., an elephant's trunk, a monkey's tail). This work aims to introduce the control theorist perspective to this novel development in robotics. We aim to remove the barriers to entry into this field by presenting existing results and future challenges using a unified language and within a coherent framework. Indeed, the main difficulty in entering this field is the wide variability of terminology and scientific backgrounds, making it quite hard to acquire a comprehensive view on the topic. Another limiting factor is that it is not obvious where to draw a clear line between the limitations imposed by the technology not being mature yet and the challenges intrinsic to this class of robots. In this work, we argue that the intrinsic effects are the continuum or multi-body dynamics, the presence of a non-negligible elastic potential field, and the variability in sensing and actuation strategies.

研究の動機と目的

• ソフトロボティクスへの制御理論的視点を導入し、用語を統一する。
• ソフトロボットのダイナミクスを表す有限次元モデリング手法（PCC、機能的パラメータ化、FEM）を要約する。
• これらのモデル内での形状制御と追従の設計を論じる。
• アクチュエータ動力学の統合とモデリング選択を強調する。
• モデルベースのソフトロボット制御における未解決の課題と今後の研究方向を特定する。

提案手法

• 無限次元の棒・コッサラットモデルおよびPDEモデルとそれらの制御における役割をレビューする。
• 有限次元近似を説明する: 部分的に一定ひずみ（PCC）と機能的パラメータ化を用いた M(q)¨q + C(q, q˙)˙q + G(q) = A(q)τ。
• 計算可能性のための有限要素法（FEM）とモデル階層削減を提示する。
• K(q) + G(q) = A(q)τ による平衡の存在を説明し、単調性/半径無界条件を議論する。
• 適用可能な場合には結合方程式を用いたアクチュエータ動力学を議論する（M, C, D, K, G, Uc）。
• 全作動のソフトロボットに対する制御戦略の概要、姿勢制御とフィードフォワード成分を備えたPD様のコントローラを含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの有限次元モデルが、制御のためにソフトロボットのダイナミクスを正確かつ扱いやすく記述できるか。
• RQ2 非線形ソフトロボットモデルにおける定常なアクチュエーションで平衡が存在するか、またそれらがどの条件で安定か。
• RQ3 アクチュエータ動力学をソフトロボットの制御設計にどう組み込むか。
• RQ4 これらのモデル下で、姿勢制御と追従に効果的な制御戦略（例：フィードフォワード、PD様のフィードバック）は何か。
• RQ5 実用的な制御開発を可能にする適切なシミュレーターとモデル削減技術は何か。

主な発見

• 有限次元近似（PCC、機能的パラメータ化）は、制御に必要なソフトロボットの重要なダイナミクスを捉えた扱いやすいモデルを提供する。
• 非線形の剛性と重力により、緩い条件の下で任意の定常アクチュエーションに対して平衡配置が存在する。これは、一定のアクチュエーション下で平衡が保証されない剛体ロボットとは対照的である。
• 結合方程式とスロー/ファスト解析を用いてアクチュエータ動力学を組み込み、コントローラ設計における一般化された入力写像を可能にする。
• フィードフォワード項を備えたPD様の非線形コントローラは、ソフトロボットのダイナミクスの文脈で解析でき、姿勢制御と追従を支援する。
• シミュレータとモデル縮約技術（FEM、PCC、モーダル解析）は、制御戦略の実用的な開発と比較を可能にする。
• モデルの選択（PCC、FEM、剛体近似）は、閉ループの挙動とコントローラの性能に大きく影響する。