[논문 리뷰] SoRoSim: a MATLAB Toolbox for Soft Robotics Based on the Geometric Variable-strain Approach.

Anup Teejo Mathew, Ikhlas Ben Hmida외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 12.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

SoRoSim은 하이브리드 경직성-유연성 개방 체인 로봇 시스템의 효율적 모델링, 분석 및 시뮬레이션을 가능하게 하는 MATLAB 툴박스입니다. 기하학적 가변 변형률 모델을 구현하여 다양한 액추에이터, 외부 하중 및 유체-구조 상호작용을 지원하며, 소프트 로봇 연구를 위한 사용자 友好的한 솔루션을 제공합니다.

ABSTRACT

Soft robotics has been a trending topic within the robotics community for almost two decades. However, the available tools for the community to model and analyze soft robotics artifacts are still limited. This paper presents the development of a user-friendly MATLAB toolbox, SoRoSim, that integrates the Geometric Variable Strain model to facilitate the modeling, analysis, and simulation of hybrid rigid-soft open-chain robotic systems. The toolbox implements a recursive, two-level nested quadrature scheme to solve the model. We demonstrate several examples and applications to validate the toolbox and explore the toolbox's capabilities to efficiently model a vast range of robotic systems, considering different actuators and external loads, including the fluid-structure interactions. We think that the soft-robotics research community will benefit from the SoRoSim toolbox for a wide variety of applications.

연구 동기 및 목표

• 소프트 로봇 전용으로 설계된 모델링 및 시뮬레이션 도구의 부족을 보완하기 위해.
• 하이브리드 경직성-유연성 로봇 시스템의 분석을 지원하는 사용자 친화적인 MATLAB 툴박스를 개발하기 위해.
• 정확하고 효율적인 소프트 로봇 시스템 시뮬레이션을 위한 기하학적 가변 변형률 모델을 구현하기 위해.
• 다양한 액추에이터와 외부 하중(유체-구조 상호작용 포함)의 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 소프트 로봇 응용 분야에 적합한 확장 가능하고 스케일러블 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 툴박스는 소프트 로봇 시스템의 핵심 기계적 프레임워크로 기하학적 가변 변형률 모델을 구현합니다.
• 모델의 지배 방정식을 수치적으로 해결하기 위해 재귀적이고 이중 레벨의 내재된 적분 기법을 사용합니다.
• 경직성 및 유연성 세그먼트를 조합한 개방 체인 로봇 시스템을 지원합니다.
• 액추에이터 동역학 및 외부 하중 모델(유체-구조 상호작용 효과 포함)을 툴박스에 통합합니다.
• 다양한 소프트 로봇 구성에 대한 확장성을 고려해 모듈러한 구조로 설계되었습니다.
• 연구자들이 쉽게 접근하고 사용할 수 있도록 MATLAB 기반으로 개발되었습니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기하학적 가변 변형률 모델은 소프트 로봇을 위한 시뮬레이션 툴박스에 어떻게 효율적으로 구현될 수 있는가?
• RQ2 이 툴박스는 다양한 액추에이터 유형과 외부 하중 조건을 어느 정도 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ3 내재된 적분 기법은 소프트 로봇 시스템의 모델링에서 수치적 안정성과 정확성을 보장할 수 있는가?
• RQ4 이 툴박스는 소프트 로봇 시스템에서의 유체-구조 상호작용을 얼마나 잘 처리하는가?
• RQ5 이 툴박스는 다양한 하이브리드 경직성-유연성 로봇 구성에 대해 사용성과 확장성 측면에서 얼마나 우수한가?

주요 결과

• SoRoSim 툴박스는 사용자 우호적인 MATLAB 환경에서 하이브리드 경직성-유연성 로봇 시스템에 대한 기하학적 가변 변형률 모델을 성공적으로 구현했습니다.
• 재귀적이고 이중 레벨의 내재된 적분 기법은 모델 방정식의 정확하고 효율적인 해를 도출할 수 있었습니다.
• 툴박스는 다양한 액추에이터와 외부 하중(유체-구조 상호작용 포함)을 지원합니다.
• 프레임워크는 다양한 소프트 로봇 시스템 구성에 대해 확장성과 적응성을 입증했습니다.
• 복잡한 소프트 로봇 시스템의 모델링 및 시뮬레이션을 위한 실용적이고 접근 가능한 도구를 제공합니다.
• 구현을 통해 연구자들이 개발 오버헤드를 줄이고 다양한 소프트 로봇 응용 분야를 탐색할 수 있게 되었습니다.