[論文レビュー] Using Nonlinear Normal Modes for Execution of Efficient Cyclic Motions in Soft Robots.

Cosimo Della Santina, Dominic Lakatos+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2018

Cardiomyopathy and Myosin Studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、非線形正規モード（NNM）を安定化することで、ソフトロボットにおける効率的な循環運動を生成する一般化されたフレームワークを提案する。NNMは、状態空間内の自然な振動挙動を表す部分多様体である。ヒトの筋骨格系にインspiredされた非線形ダイナミクスを活用することで、動的キャンセレーションに依存せずにエネルギー効率が良く、耐障害性のある振動を実現する。この手法は、弾性逆立 pendulum およびセグメント化された脚ロボットにおけるシミュレーションと実験で検証された。

ABSTRACT

With the aim of getting closer to the performance of the animal muscleskeletal system, elastic elements are purposefully introduced in the mechanical structure of soft robots. Indeed, previous works have extensively shown that elasticity can endow robots with the ability of performing tasks with increased efficiency, peak performances, and mechanical robustness. However, despite the many achievements, a general theory of efficient motions in soft robots is still lacking. Most of the literature focuses on specific examples, or imposes a prescribed behavior through dynamic cancellations, thus defeating the purpose of introducing elasticity in the first place. This paper aims at making a step towards establishing such a general framework. To this end, we leverage on the theory of oscillations in nonlinear dynamical systems, and we take inspiration from state of the art theories about how the human central nervous system manages the muscleskeletal system. We propose to generate regular and efficient motions in soft robots by stabilizing sub-manifolds of the state space on which the system would naturally evolve. We select these sub-manifolds as the nonlinear continuation of linear eigenspaces, called nonlinear normal modes. In such a way, efficient oscillatory behaviors can be excited. We show the effectiveness of the methods in simulations on an elastic inverted pendulum, and experimentally on a segmented elastic leg.

研究の動機と目的

• ソフトロボットにおける効率的な運動生成の一般理論を開発し、個別設計や動的キャンセレーションに依存しないようにすること。
• ソフトロボティクスにおける弾性の活用を統一的フレームワークで実現し、高い性能と耐障害性を達成する欠落を解消すること。
• ヒトの中枢神経系による筋骨格系の制御にインspiredし、生物学的系に類似した運動計画を実現すること。
• 非線形ダイナミクス理論を用いて、弾性ソフトロボットの内在的振動挙動を同定・安定化すること。
• 弾性の利点を損なわず、規則的で効率的かつ耐障害性のある循環運動を実現すること。

提案手法

• ソフトロボットを非線形力学系としてモデル化し、その非線形正規モード（NNM）を特定する。NNMは、線形固有空間の非線形継続である。
• 非線形振動理論を用いて、状態空間内での周期的挙動を自然に示す部分多様体を同定する。
• これらのNNM上にシステムを安定化する制御則を設計し、持続的かつ効率的な振動運動を保証する。
• 妥当性の検証のため、弾性逆立 pendulum およびセグメント化された弾性脚の低次元モデルにこの手法を適用する。
• シミュレーションおよび物理的実験で制御戦略を実装し、安定性とエネルギー効率を検証する。
• 制御が動的キャンセレーションに依存しないようにし、弾性の本質的利点を保持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形正規モードは、ソフトロボットにおける効率的で安定した循環運動の生成にどのように利用できるか？
• RQ2 内在的振動挙動は、弾性ソフトロボットにおけるエネルギー効率の良い移動を実現するために果たす役割は何か？
• RQ3 非線形正規モードに基づく制御フレームワークは、動的キャンセレーションに依存する従来の手法を上回る性能を示せるか？
• RQ4 提案手法は、望ましい運動パターンを達成しつつ、弾性の利点をどのように保持するか？
• RQ5 ヒトの筋骨格系の制御原理は、ソフトロボット系にどの程度転用可能か？

主な発見

• 提案手法は、非線形正規モードの安定化により、ソフトロボットで規則的で効率的な循環運動を成功裏に生成した。
• 弾性逆立 pendulum におけるシミュレーションでは、外部フィードバックキャンセレーションなしに安定した自己駆動振動が達成された。
• セグメント化された弾性脚における実験的検証により、本手法の実世界のソフトロボットシステムにおける実現可能性と耐障害性が示された。
• 動的キャンセレーションを避けることで、機械的耐障害性やエネルギー効率といった弾性の利点を保持した。
• 制御戦略により、システムの内在的ダイナミクスから自然に生じる低エネルギー振動挙動が実現された。
• 結果から、非線形正規モードは、ソフトロボティクスにおける効率的運動の一般フレームワークへの実現可能性を示している。