[논문 리뷰] Using Nonlinear Normal Modes for Execution of Efficient Cyclic Motions in Soft Robots.

Cosimo Della Santina, Dominic Lakatos외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 21.

Cardiomyopathy and Myosin Studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 부드러운 로봇에서 효율적인 순환 운동을 생성하기 위한 일반적인 프레임워크를 제안한다. 비선형 정상 모드(상태공간의 부분다양체로, 자연스러운 진동 행동을 나타냄)를 안정화시켜 이를 통해 실현한다. 인간의 근골격계를 모방한 비선형 역학을 활용함으로써, 동역학적 상쇄 기법에 의존하지 않고도 에너지 효율적이고 견고한 진동을 가능하게 하며, 탄성 역행자 펜듈럼과 분할된 다리 로봇에서 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

With the aim of getting closer to the performance of the animal muscleskeletal system, elastic elements are purposefully introduced in the mechanical structure of soft robots. Indeed, previous works have extensively shown that elasticity can endow robots with the ability of performing tasks with increased efficiency, peak performances, and mechanical robustness. However, despite the many achievements, a general theory of efficient motions in soft robots is still lacking. Most of the literature focuses on specific examples, or imposes a prescribed behavior through dynamic cancellations, thus defeating the purpose of introducing elasticity in the first place. This paper aims at making a step towards establishing such a general framework. To this end, we leverage on the theory of oscillations in nonlinear dynamical systems, and we take inspiration from state of the art theories about how the human central nervous system manages the muscleskeletal system. We propose to generate regular and efficient motions in soft robots by stabilizing sub-manifolds of the state space on which the system would naturally evolve. We select these sub-manifolds as the nonlinear continuation of linear eigenspaces, called nonlinear normal modes. In such a way, efficient oscillatory behaviors can be excited. We show the effectiveness of the methods in simulations on an elastic inverted pendulum, and experimentally on a segmented elastic leg.

연구 동기 및 목표

• 부드러운 로봇에서 효율적인 운동 생성을 위한 일반 이론을 개발하여, 사례별 설계나 동역학적 상쇄 기법에 의존하지 않는 것을 목표로 한다.
• 부드러운 로봇에서 탄성을 활용하여 고성능과 견고성을 달성하기 위한 통합된 프레임워크의 부재를 해결한다.
• 인간의 중추신경계가 근골격계를 제어하는 방식을 영감으로 삼아 생체 모방 운동 계획을 수립한다.
• 비선형 역학 이론을 활용하여 탄성 부드러운 로봇 내에서의 내재된 진동 행동을 식별하고 안정화한다.
• 탄성의 이점을 손상시키지 않은 채 정규적이고 효율적이며 견고한 순환 운동을 실행 가능하게 한다.

제안 방법

• 부드러운 로봇을 비선형 동역학계로 모델링하고, 선형 고유공간의 비선형 연장인 비선형 정상 모드(Nonlinear Normal Modes, NNMs)를 식별한다.
• 비선형 진동 이론을 활용하여 상태공간 내에서 시스템이 자연스럽게 주기적 행동을 보이는 부분다양체를 식별한다.
• 이러한 NNMs 위에서 시스템을 안정화시키는 제어 법칙을 설계하여 지속적이고 효율적인 진동 운동을 확보한다.
• 검증을 위해 탄성 역행자 펜듈럼과 분할된 탄성 다리의 저차원 모델에 이 방법을 적용한다.
• 시뮬레이션과 물리적 실험에서 제어 전략을 구현하여 안정성과 에너지 효율성을 검증한다.
• 제어가 동역학적 상쇄 기법에 의존하지 않도록 보장하여 탄성의 본질적 이점을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 정상 모드는 어떻게 부드러운 로봇에서 효율적이고 안정적인 순환 운동을 생성하는 데 활용될 수 있는가?
• RQ2 내재된 진동 행동은 탄성 부드러운 로봇에서 에너지 효율적인 이동을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 비선형 정상 모드 기반 제어 프레임워크는 동역학적 상쇄 기법에 의존하는 전통적 방법보다 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 어떻게 탄성의 이점을 유지하면서 원하는 운동 패tern을 달성하는가?
• RQ5 인간의 근골격계 제어 원리가 부드러운 로봇 시스템에 얼마나 효과적으로 이식될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 비선형 정상 모드를 안정화시킴으로써 부드러운 로봇에서 규칙적이고 효율적인 순환 운동을 성공적으로 생성하였다.
• 탄성 역행자 펜듈럼에 대한 시뮬레이션 결과, 외부 피드백 상쇄 없이도 안정적이고 자가 지속적인 진동이 달성되었다.
• 분할된 탄성 다리에서의 실험적 검증을 통해 이 방법이 실제 부드러운 로봇 시스템에서 실현 가능하고 견고함을 입증하였다.
• 동역학적 상쇄 기법을 피름으로써 탄성의 이점, 예를 들어 기계적 견고성과 에너지 효율성 등을 유지하였다.
• 제어 전략은 시스템의 내재된 동역학에서 유래하는 자연스럽고 저에너지 소모의 진동 행동을 가능하게 하였다.
• 결과적으로 비선형 정상 모드가 부드러운 로봇에서 효율적 운동을 위한 일반적 프레임워크로 유망한 길을 제공함을 시사한다.