[논문 리뷰] Efficient Force Estimation for Continuum Robot

Qingyu Xiao, Yue Chen|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 26.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 섬유 브래그 격자 센서(FBGS)와 단순화된 Cosserat 로드 모델을 사용하여 연속성 로봇의 곡률 기반 힘 추정 방법을 제시한다. 측정된 局부 곡률에 대한 최소 제곱 최적화를 활용하여, 단일 또는 다중 외부 접촉 힘의 크기와 위치를 오차 범위 5.25–12.87% (크기 기준) 및 1.02–2.19% (위치 기준)로 정확하게 추정하며, 기존 방법 대비 29배에서 101.6배 빠른 계산 속도를 달성한다.

ABSTRACT

External contact force is one of the most significant information for the robots to model, control, and safely interact with external objects. For continuum robots, it is possible to estimate the contact force based on the measurements of robot configurations, which addresses the difficulty of implementing the force sensor feedback on the robot body with strict dimension constraints. In this paper, we use local curvatures measured from fiber Bragg grating sensors (FBGS) to estimate the magnitude and location of single or multiple external contact forces. A simplified mechanics model is derived from Cosserat rod theory to compute continuum robot curvatures. Least-square optimization is utilized to estimate the forces by minimizing errors between computed curvatures and measured curvatures. The results show that the proposed method is able to accurately estimate the contact force magnitude (error: 5.25\% -- 12.87\%) and locations (error: 1.02\% -- 2.19\%). The calculation speed of the proposed method is validated in MATLAB. The results indicate that our approach is 29.0 -- 101.6 times faster than the conventional methods. These results indicate that the proposed method is accurate and efficient for contact force estimations.

연구 동기 및 목표

• 엄격한 크기 제약 조건으로 인해 내장형 힘 센서를 탑재하기 어려운 연속성 로봇의 외부 접촉 힘 추정 문제를 해결하기 위해.
• 특정 위치(예: 로봇 끝단)에서만 힘을 감지할 수 있는 전통적 힘 센서의 한계를 극복하기 위해.
• 곡률 측정치를 활용하여 로봇 몸체 전반에 걸친 힘 크기와 위치를 계산적으로 효율적으로 추정하는 방법을 개발하기 위해.
• 최소 침습 수술 응용 분야에서 안전하고 정밀한 상호작용을 위한 실시간 힘 추정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 외부 모멘트와 축력이 없음을 가정함으로써 단순화된 Cosserat 로드 모델을 유도하여, 로테이션 행렬의 통합 없이도 곡률을 신속하게 계산할 수 있도록 한다.
• 로봇 길이 전반에 걸쳐 섬유 브래그 격자 센서(FBGS)를 사용하여 局부 곡률을 측정함으로써, 회전에 영향을 받지 않는 견고한 데이터를 확보한다.
• 힘 추정 문제를 최소 제곱 최적화 문제로 공식화하여, 계산된 곡률과 측정된 곡률 간 오차를 최소화한다.
• 관측된 곡률 프로파일과 일치하는 최적의 힘 분포를 찾기 위해, 추정된 크기와 위치를 포함한 힘 벡터를 구하는 최적화를 수행한다.
• 경계값 문제(BVP)를 반복적으로 풀지 않아서, Levenberg-Marquardt 또는 도함수 전파 방법 대비 계산 시간을 크게 단축시킨다.
• 단일, 이중, 삼중 힘 조건에서 다양한 위치와 크기로 290 mm 길이의 니티노ール 튜브를 대상으로 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 곡률 측정치만으로도 연속성 로봇의 힘 크기와 위치를 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ2 Cosserat 로드 모델에 대한 어떤 단순화된 가정이, 경계값 문제를 해결하지 않고도 곡률 계산을 신속하게 하면서도 추정 정확도를 유지할 수 있도록 하는가?
• RQ3 Levenberg-Marquardt 및 도함수 전파 방법과 같은 기존의 BVP 기반 최적화 기법과 비교해 볼 때, 제안된 방법은 속도와 정확도 측면에서 어떻게 성능을 내는가?
• RQ4 이 방법은 로봇 몸체 전반에 걸쳐 동시에 다중 접촉 힘을 신뢰성 있게 추정할 수 있는가?
• RQ5 센서 노이즈와 측정 오차는 곡률 기반 방법을 통한 힘 추정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 단일, 이중, 삼중 힘 케이스에서 평균 힘 크기 추정 오차가 5.25–12.87%로 나타났다.
• 힘 위치 추정의 평균 오차는 1.02–2.19%로 높은 공간 정확도를 보였다.
• 단일, 이중, 삼중 힘 추정의 평균 제곱근 오차(RMSE)는 각각 0.084 ± 0.073 N, 0.115 ± 0.102 N, 0.1090 ± 0.1173 N이었다.
• MATLAB에서 단일, 이중, 삼중 힘 추정의 계산 시간은 각각 0.134 s, 0.344 s, 0.730 s였다.
• 이 방법은 도함수 전파 및 Levenberg-Marquardt 최적화를 통한 경계값 문제 해결 방식 대비 29.0에서 101.6배 빠른 속도를 기록했다.
• 외부 모멘트와 축력이 없음을 가정한 단순화된 모델은 추정 정확도를 유지하면서도 곡률 계산을 신속하게 수행할 수 있도록 하였다.