[논문 리뷰] A MATLAB Toolbox for Hybrid Rigid Soft Robots Based on the Geometric Variable Strain Approach

Anup Teejo Mathew, Ikhlas Ben Hmida외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 12.

Soft Robotics and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 소프트, 고체 및 하이브리드 로봇 시스템의 정적 및 동적 모델링을 정확하고 빠르며 계산적으로 효율적으로 가능하게 하는 MATLAB 툴박스 SoRoSim을 제안한다. 이 툴박스는 코스세르 봉 이론에 기반한 기하학적 가변변형(GVS) 접근법을 사용하여 자유도를 최소화함으로써 실시간 또는 실시간을 초월하는 시뮬레이션 성능를 달성한다. 이는 문헌과의 검증을 통해 입증되었으며, 다양한 액추에이터와 하중 조건을 가진 개방형, 분지형, 폐쇄형 시스템을 포함한 다양한 로봇 구성을 통해 구현되었다.

ABSTRACT

Soft robotics has been a trending topic within the robotics community for almost two decades. However, available tools for the modeling and analysis of soft robots are still limited. This paper introduces a user-friendly MATLAB toolbox, Soft Robot Simulator (SoRoSim), that integrates the Geometric Variable Strain (GVS) model of Cosserat rods to facilitate the static and dynamic analysis of soft, rigid, or hybrid robotic systems. We present a brief overview of the design and structure of the toolbox and validate it by comparing its results with those published in the literature. To highlight the toolbox's potential to efficiently model, simulate, optimize, and control various robotic systems, we demonstrate four sample applications. The demonstrated applications explore different actuator and external loading conditions of single-, branched-, open-, and closed-chain robotic systems. We think that the soft-robotics research community will significantly benefit from the SoRoSim toolbox for a wide variety of applications.

연구 동기 및 목표

• 소프트 및 하이브리드 로봇 시스템의 모델링과 분석을 위한 사용자 친화적이고 정확하며 계산적으로 효율적인 도구의 부족을 해결하기 위해.
• 기존의 고체 로봇 모델링과 소프트 로보틱스 사이의 격차를 해소하기 위해 기하학적으로 정확한 방법을 하이브리드 시스템으로 확장하기 위해.
• 최소한의 사용자 정의 코드로 소프트 로봇 시스템의 시뮬레이션, 최적화 및 제어를 위한 통합적이고 직관적인 MATLAB 기반 프레임워크를 제공하기 위해.
• 모델 기반 제어 및 설계 최적화와 같은 응용 분야를 위해 실시간 또는 실시간을 초월하는 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 툴박스는 코스세르 봉 이론에서 유도된 기하학적 가변변형(GVS) 수식을 구현하여 소프트 링크를 1차원 연속체로 기하학적으로 정확하게 모델링한다.
• GVS 방정식을 수치적으로 해결하기 위해 이중 가우스 적분 기법을 사용하여 계산 효율성과 정확도를 향상시킨다.
• 사용자 친화적인 GUI와 MATLAB 워크스페이스 통합 기능을 통해 링크, 조인트, 자유도, 제약 조건, 외부 및 구동력 등을 정의할 수 있다.
• 편집 가능한 MATLAB 파일을 통해 사용자 정의 외부 및 구동력 함수를 지원하여 최적화 및 제어 툴박스와의 통합을 가능하게 한다.
• 자기력 기반 매개변수화를 통해 자유도를 최소화하면서도 개방형, 분지형, 폐쇄형 로봇 시스템을 모두 처리할 수 있으며, 고체 및 소프트 링크를 모두 포함한다.
• MATLAB 생태계, 특히 최적화 툴박스와 사용자 정의 함수를 활용하여 제어 및 설계 작업으로의 원활한 확장이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GVS 접근법을 사용하는 MATLAB 기반 툴박스가 소프트 및 하이브리드 로봇 시스템의 시뮬레이션에서 높은 정확도와 계산 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 GVS 기반 접근법은 전통적인 유한요소법(FEM) 및 집중질량 방법에 비해 속도와 자유도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 툴박스는 다양한 액추에이터와 하중 조건 하에서 분지형 및 폐쇄형 시스템을 포함한 다양한 로봇 구성을 얼마나 잘 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 이 툴박스는 모델 기반 제어 응용을 위해 실시간 또는 실시간을 초월하는 시뮬레이션을 지원할 수 있는가?
• RQ5 이 툴박스는 기존 문헌과 수치 연구 결과를 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 모든 테스트 사례에서 SoRoSim 툴박스는 실시간 또는 실시간을 초월하는 시뮬레이션 성능를 달성하였으며, 시뮬레이션 실행 시간(ts)이 항상 실시간 지속 시간(tmax) 이하로 유지되었다.
• 공개된 문헌과 수치 연구 결과와의 검증을 통해 정확도가 높음을 입증하였으며, GVS 수식의 신뢰성을 확인하였다.
• 가변변형을 고려한 기하학적으로 정확한 코스세르 봉 모델링을 통해 필요한 자유도 수를 감소시켜 FEM 및 집중질량 방법에 비해 더 빠르고 효율적인 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• 단일, 분지형, 개방형, 폐쇄형 시스템을 포함한 다양한 로봇 구성을 유연한 액추에이터 및 외부 하중 설정으로 지원한다.
• MATLAB 툴박스 및 사용자 정의 함수와의 통합을 통해 최적화 및 제어 작업으로의 원활한 확장이 가능하여 연구 및 공학 응용 분야에서의 유용성을 높였다.
• 성능 벤치마크 결과, 액추에이터 강도 계산 속도가 최대 2.5배 빠르게 실시간을 초월하여 모델 기반 역역학 제어 응용에 잠재적 활용이 가능하다.