[논문 리뷰] Contour Moments Based Manipulation of Composite Rigid-Deformable Objects with Finite Time Model Estimation and Shape/Position Control

Jiaming Qi, Guangfu Ma외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 04.

Advanced Vision and Imaging인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이중 암 로봇을 사용한 복합 강성-탄성 물체(CRDO)의 시각 서보 제어를 위한 유한 시간 슬라이딩 모드 제어 프레임워크를 제안한다. 2차원 윤곽 모멘트 특징 벡터를 추출하고 자기 조정 적응 법칙을 적용하여, 형태 및 모델 추정 오차의 유한 시간 수렴을 보장함으로써, 다양한 기계적 성질을 가진 물체에 대해 강건하고 실시간 형태 제어를 달성하며 라플라스 이론을 통한 엄밀한 안정성 증명을 제공한다.

ABSTRACT

The robotic manipulation of composite rigid-deformable objects (i.e. those with mixed non-homogeneous stiffness properties) is a challenging problem with clear practical applications that, despite the recent progress in the field, it has not been sufficiently studied in the literature. To deal with this issue, in this paper we propose a new visual servoing method that has the capability to manipulate this broad class of objects (which varies from soft to rigid) with the same adaptive strategy. To quantify the object's infinite-dimensional configuration, our new approach computes a compact feedback vector of 2D contour moments features. A sliding mode control scheme is then designed to simultaneously ensure the finite-time convergence of both the feedback shape error and the model estimation error. The stability of the proposed framework (including the boundedness of all the signals) is rigorously proved with Lyapunov theory. Detailed simulations and experiments are presented to validate the effectiveness of the proposed approach. To the best of the author's knowledge, this is the first time that contour moments along with finite-time control have been used to solve this difficult manipulation problem.

연구 동기 및 목표

• 혼합 강성 특성을 가진 복합 강성-탄성 물체(CRDO)를 제어하기 위한 통합된 제어 전략의 부족을 해결하기 위해.
• 무한 차원 물체 구성을 위한 저차원 효율적인 형태 피드백 표현을 개발하기 위해.
• 형태 및 모델 추정 오차의 유한 시간 수렴을 보장하는 강건한 제어 계획을 설계하기 위해.
• 라플라스 이론을 이용한 폐쇄형 루프 시스템의 안정성에 대한 엄밀한 증명을 위해.
• 다양한 기계적 성질을 가진 물체를 대상으로 실험적으로 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 물체의 무한 차원 형태를 나타내기 위해 2차원 영상 윤곽에서 압축된 2차원 윤곽 모멘트 특징 벡터를 계산한다.
• 형태 오차와 변형 잭오비안 행렬(DJM) 추정 오차를 동시에 최소화하기 위해 유한 시간 슬라이딩 모드 제어(FTSMC) 계획을 설계한다.
• 온라인 DJM 추정 정확도를 향상시키기 위해 자기 조정 적응 업데이트 법칙을 제안한다.
• 모든 신호의 유계성과 유한 시간 수렴을 엄밀히 증명하기 위해 라플라스 기반 안정성 분석을 사용한다.
• 제어 입력을 딱딱한 포화 함수를 통해 포화시켜 제어 노력의 크기를 제한한다.
• 이중 암 UR5 로봇 시스템에 프레임워크를 구현하여 실시간 조작을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 윤곽 모멘트는 복합 강성-탄성 물체의 형태를 효과적이고 저차원적으로 표현할 수 있는가?
• RQ2 유한 시간 슬라이딩 모드 제어 계획은 형태 오차와 변형 잭오비안 행렬 추정 오차를 동시에 수렴시킬 수 있는가?
• RQ3 제안된 제어 프레임워크는 모델 불확실성과 다양한 물체 기계적 성질에 대해 강건하고 안정적인가?
• RQ4 수렴 속도와 정확도 측면에서 기존의 고전적 및 적응형 추정 방법(RLS, LKF, LSMC)과 비교해 복합 제어 방법(FTSMC)은 어떠한가?
• RQ5 부드러운 물체에서부터 강성 물체에 이르기까지 다양한 물체에서 일관된 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 FTSMC 방법은 시뮬레이션과 실험을 통해 형태 오차 및 모델 추정 오차의 유한 시간 수렴을 달성하였다.
• 형태 서보 제어 작업에서, FTSMC는 모든 6개의 실험 물체(Exp1–Exp6)에서 RLS, LKF, LSMC보다 형태 오차 $ Vert \mathbf{e}_1 \rVert$ 를 더 빠르고 효과적으로 감소시켰다.
• 성능 지표 $T_1$ 및 $\rVert \mathbf{e}_2 \rVert$ 는 FTSMC가 RLS, LKF, LSMC보다 변형 잭오비안 행렬 추정 정확도에서 뛰어난 성능을 보였음을 보여주었다.
• IAE(절대 오차의 적분) 지표는 FTSMC가 빠른 수렴을 확보하면서도 중간 수준의 에너지 소비를 기록함을 나타내었다.
• 이 방법은 탄성 케이블,スポン지, 플라스틱 폴더, 비균일 빔, 관절이 있는 지갑, 강성 상자 등 다양한 물체를 일관된 성능으로 조작하는 데 성공하였다.
• 그림 18의 실험 결과는 FTSMC가 목표 구성을 도달하는 데 소요되는 시간($t_d$)과 종단 흡인점으로의 수렴 속도($t_s$)에서 모든 기준 방법보다 빠른 성능을 보였음을 확인하였다.