[논문 리뷰] A Robust Adaptive Approach to Dynamic Control of Soft Continuum Manipulators

Amirhossein Kazemipour, Oliver Fischer외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 23.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이전의 단순화된 가정을 제거한 향상된 오일러-라그란주 동역학 모델을 사용하여 소프트 연속 기구의 강건한 모델 기반 적응형 제어 프레임워크를 제안한다. 제어기는 모델의 불확실성과 외부 간섭이 존재하는 상황에서도 정확한 작업공간 궤적 추적을 보장하며, 다양한 하중 조건에서 물리적 소프트 로봇 팔에서 최신 기술 대비 뛰어난 성능을 보여준다.

ABSTRACT

Soft robots are made of compliant and deformable materials and can perform tasks challenging for conventional rigid robots. The inherent compliance of soft robots makes them more suitable and adaptable for interactions with humans and the environment. However, this preeminence comes at a cost: their continuum nature makes it challenging to develop robust model-based control strategies. Specifically, an adaptive control approach addressing this challenge has not yet been applied to physical soft robotic arms. This work presents a reformulation of dynamics for a soft continuum manipulator using the Euler-Lagrange method. The proposed model eliminates the simplifying assumption made in previous works and provides a more accurate description of the robot's inertia. Based on our model, we introduce a task-space adaptive control scheme. This controller is robust against model parameter uncertainties and unknown input disturbances. The controller is implemented on a physical soft continuum arm. A series of experiments were carried out to validate the effectiveness of the controller in task-space trajectory tracking under different payloads. The controller outperforms the state-of-the-art method both in terms of accuracy and robustness. Moreover, the proposed model-based control design is flexible and can be generalized to any continuum robotic arm with an arbitrary number of continuum segments.

연구 동기 및 목표

• 소프트 연속 기구의 본질적 유연성과 복잡한 동역학으로 인해 강건한 모델 기반 제어 전략을 개발하는 데 도전하는 것.
• 관성 표현의 정확성을 해치는 이전의 동역학 모델에서의 단순화된 가정을 제거하는 것.
• 모델 매개변수의 불확실성과 알려지지 않은 외부 간섭을 처리할 수 있는 작업공간 기반 적응형 제어기를 설계하는 것.
• 다양한 하중과 동적 조건에서 물리적 소프트 로봇 팔에서 제어기 성능을 검증하는 것.

제안 방법

• 관성에 대한 단순화된 가정 없이 오일러-라그란주 방법을 사용하여 소프트 연속 기구의 동역학을 재구성하여 더 정확한 모델을 유도하는 것.
• 리아푸노프 기반 안정성 분석을 활용하여 매개변수 불확실성과 외부 간섭을 보상하는 작업공간 기반 적응형 제어 법칙을 개발하는 것.
• 실시간 궤적 추적을 가능하게 하기 위해 다중 세그먼트를 가진 물리적 소프트 연속 로봇 팔에 제어기를 구현하는 것.
• 제어기의 적응 과정에서 매개변수 추정치가 유한하게 유지되고 강건성이 향상되도록 매개변수 투영 기법을 활용하는 것.
• 관절 수준의 구동을 종단기구의 작업공간 운동으로 매핑하기 위해 운동학 모델과 제어기를 통합하는 것.
• 실세계 간섭 조건에서의 강건성과 적응 능력을 테스트하기 위해 다양한 하중 조건을 가진 실험을 설계하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소프트 연속 기구의 동역학 모델을 어떻게 개선하여 관성 표현에 대한 단순화된 가정 없이 더 정확하게 포착할 수 있는가?
• RQ2 작업공간 기반의 적응형 제어 기법이 소프트 로봇 시스템에서 매개변수 불확실성과 알려지지 않은 간섭을 효과적으로 다룰 수 있는가?
• RQ3 제안된 제어기가 다양한 하중 조건에서 물리적 소프트 기구에서 궤적 추적 정확도와 강건성 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 제안된 제어 프레임워크는 임의의 수의 세그먼트를 가진 소프트 로봇 팔에 얼마나 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 오일러-라그란주 기반 동역학 모델은 이전의 단순화된 가정이 있는 모델 대비 소프트 기구의 관성 표현을 더 정확하게 나타낸다.
• 모든 테스트된 하중 조건에서 최신 기술 대비 뛰어난 궤적 추적 성능을 보이며 정확도와 강건성 측면에서 모두 뛰어난 성능을 기록했다.
• 알 수 없는 외부 간섭과 매개변수 불확실성 조건에서도 안정적인 성능을 유지하여 강력한 강건성을 입증했다.
• 이 방법은 물리적 소프트 연속 팔에 성공적으로 구현되고 검증되어 실용적 타당성을 확인했다.
• 모듈러 설계 덕분에 제어 프레임워크는 임의의 수의 연속 세그먼트를 가진 소프트 로봇 팔로 일반화될 수 있다.
• 실험 결과는 다양한 하중 조건에서 추적 오차 지표가 일관되게 향상되어 제어기의 적응 능력을 확인했다.