[論文レビュー] SoRoSim: a MATLAB Toolbox for Soft Robotics 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参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

SoRoSim は、ハイブリッドな剛体-ソフトオープンチェーンロボットシステムの効率的なモデリング、解析、シミュレーションを可能にする MATLAB ツールボックスです。幾何学的可変ひずみモデルを実装しており、多様なアクチュエータ、外部荷重、流体-構造連成をサポートする再帰的で二段階のネスト型数値積分スキームを用いてモデルを解きます。ソフトロボティクス研究のための使いやすいソリューションです。

ABSTRACT

Soft robotics has been a trending topic within the robotics community for almost two decades. However, the available tools for the community to model and analyze soft robotics artifacts are still limited. This paper presents the development of a user-friendly MATLAB toolbox, SoRoSim, that integrates the Geometric Variable Strain model to facilitate the modeling, analysis, and simulation of hybrid rigid-soft open-chain robotic systems. The toolbox implements a recursive, two-level nested quadrature scheme to solve the model. We demonstrate several examples and applications to validate the toolbox and explore the toolbox's capabilities to efficiently model a vast range of robotic systems, considering different actuators and external loads, including the fluid-structure interactions. We think that the soft-robotics research community will benefit from the SoRoSim toolbox for a wide variety of applications.

研究の動機と目的

• ソフトロボティクスに特化したモデリングおよびシミュレーションツールの不足に対処すること。
• ハイブリッド剛体-ソフトロボットシステムの解析を支援する使いやすい MATLAB ツールボックスの開発。
• 高精度かつ効率的なソフトロボットシステムのシミュレーションを実現するため、幾何学的可変ひずみモデルの実装。
• 多様なアクチュエータおよび外部荷重（流体-構造連成を含む）のシミュレーションを可能にすること。
• さまざまなソフトロボティクス応用に適応可能なスケーラブルで拡張可能なフレームワークの提供。

提案手法

• ツールボックスは、ソフトロボットシステムのコア力学フレームワークとして、幾何学的可変ひずみモデルを実装している。
• モデルの支配方程式を数値的に解くために、再帰的で二段階のネスト型数値積分スキームが用いられている。
• 剛体部とソフト部を組み合わせたオープンチェーンロボットシステムをサポートする。
• アクチュエータの動的モデルおよび外部荷重モデル（流体-構造連成効果を含む）が統合されている。
• 実装はモジュラーであり、さまざまなソフトロボット構成への拡張性を考慮して設計されている。
• 研究者による利用を容易にするために、MATLAB で構築されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幾何学的可変ひずみモデルを、ソフトロボティクス用シミュレーションツールボックスに効率的に実装する方法は何か？
• RQ2 このツールボックスは、多様なアクチュエータタイプおよび外部荷重条件をどの程度シミュレートできるか？
• RQ3 ネスト型数値積分スキームは、ソフトロボットシステムのモデリングにおいて数値的安定性と精度を確保できるか？
• RQ4 ソフトロボットシステムにおける流体-構造連成を、ツールボックスはどの程度適切に扱えるか？
• RQ5 さまざまなハイブリッド剛体-ソフトロボット構成に適した、ツールボックスの使いやすさとスケーラビリティはいかがなものか？

主な発見

• SoRoSim ツールボックスは、使いやすい MATLAB 環境において、ハイブリッド剛体-ソフトロボットシステムに幾何学的可変ひずみモデルを成功裏に実装した。
• 再帰的で二段階のネスト型数値積分スキームにより、モデルの式の高精度かつ効率的な解法が可能になった。
• 多様なアクチュエータおよび外部荷重（流体-構造連成を含む）をサポートする。
• フレームワークは、さまざまなソフトロボットシステム構成へのスケーラビリティと適応性を示した。
• 複雑なソフトロボットシステムのモデリングおよびシミュレーションに実用的でアクセスしやすいツールを提供した。
• 実装により、研究者が開発の負担を減らして多様なソフトロボティクス応用を探索できるようになった。