[논문 리뷰] Model Based Control of Soft Robots: A Survey of the State of the Art and Open Challenges

Cosimo Della Santina, Christian Duriez외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 04.

Soft Robotics and Applications인용 수 40

한 줄 요약

본 논문은 소프트 로봇에 대한 유한 차원 기반 모델링 제어 방법을 고찰하고, 무한 차원 PDE 모델과 해석 가능한 ODE 기반 근사를 대조하며, 제어 전략, 평형, 액추에이터 동역학, 시뮬레이터를 논의한다.

ABSTRACT

Continuum soft robots are mechanical systems entirely made of continuously deformable elements. This design solution aims to bring robots closer to invertebrate animals and soft appendices of vertebrate animals (e.g., an elephant's trunk, a monkey's tail). This work aims to introduce the control theorist perspective to this novel development in robotics. We aim to remove the barriers to entry into this field by presenting existing results and future challenges using a unified language and within a coherent framework. Indeed, the main difficulty in entering this field is the wide variability of terminology and scientific backgrounds, making it quite hard to acquire a comprehensive view on the topic. Another limiting factor is that it is not obvious where to draw a clear line between the limitations imposed by the technology not being mature yet and the challenges intrinsic to this class of robots. In this work, we argue that the intrinsic effects are the continuum or multi-body dynamics, the presence of a non-negligible elastic potential field, and the variability in sensing and actuation strategies.

연구 동기 및 목표

• 소프트 로봇 공학에 제어 이론적 관점을 도입하고 용어를 일관되게 통합한다.
• 소프트 로봇의 동역학에 대한 유한 차원 모델링 접근법(PCC, 함수 매개화, FEM)을 요약한다.
• 이 모델들 내에서 형태 조절 및 추적을 위한 제어 설계를 논의한다.
• 액추에이터 동역학의 통합 및 모델링 선택을 강조한다.
• 모델 기반 소프트 로봇 제어에서 남은 도전과제와 향후 연구 방향을 식별한다.

제안 방법

• 무한 차원 로드/코세레(Cosserat) 이론 및 PDE 모델과 제어에서의 역할을 검토한다.
• 유한 차원 근사치: piecewise constant strain (PCC) 및 M(q)¨q + C(q, q˙)˙q + G(q) = A(q)τ를 포함한 함수 매개화.
• 실용성을 위한 Finite Element Methods (FEM) 및 모델 차수 축소를 제시한다.
• K(q) + G(q) = A(q)τ를 통한 평형의 존재를 설명하고 단조성 및 반지름적으로 무한한 조건에 대해 논의한다.
• 적용 가능하면 M, C, D, K, G, Uc를 포함하는 결합된 방정식으로 액추에이터 동역학을 논의한다.
• 포즈/자세 규정 및 피드포워드 구성 요소를 갖는 PD 유사 제어기를 포함한 완전 작동 소프트 로봇용 제어 전략을 개요한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어를 위한 소프트 로봇 동역학을 정확하고 계산적으로 다룰 수 있는 유한 차원 모델은 무엇인가?
• RQ2 비선형 소프트 로봇 모델에서 일정한 작용에 대해 평형이 존재하는가, 그리고 어떤 조건에서 안정적인가?
• RQ3 액추에이터 동역학을 소프트 로봇 제어 설계에 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ4 이 모델들 하에서 자세 규정 및 트래킹에 효과적인 제어 전략(예: 피드포워드, PD유사 피드백)은 무엇인가?
• RQ5 실용적인 제어 개발을 가능하게 하는 적합한 시뮬레이터와 모델 축소 기법은 무엇인가?

주요 결과

• 유한 차원 근사(PCC, 함수 매개화)는 제어를 위한 필수적인 소프트 로봇 동역학을 포착하는 실용 가능한 모델을 제공한다.
• 비선형 강성 및 중력으로 인해 완만한 조건 하에서 모든 상수 작용에 대해 평형 구성은 존재한다; 이는 상수 작용하에 평형이 보장되지 않는 강체 로봇과 대비된다.
• 액추에이터 동역학은 결합된 방정식과 느림-빠름 분석을 사용하여 제어기 설계에서 일반화된 입력 매핑을 가능하게 한다.
• 피드포워드 항을 갖는 비선형 PD 유사 제어기는 소프트 로봇 동역학 맥락에서 분석될 수 있으며 자세 규정 및 추적에 도움을 준다.
• 시뮬레이터와 모델 축소 기법(FEM, PCC, 모달 분석)을 통해 제어 전략의 실용적 개발 및 비교가 가능하다.
• 모델의 선택(PCC, FEM, 강체 근사)은 폐루프 거동 및 제어기 성능에 중요한 영향을 미친다.