[论文解读] A MATLAB Toolbox for Hybrid Rigid Soft Robots Based on the Geometric Variable Strain Approach

Anup Teejo Mathew, Ikhlas Ben Hmida+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

Soft Robotics and Applications被引用 4

一句话总结

该论文提出 SoRoSim，一个基于 Cosserat 杆理论的几何变应变（GVS）方法的 MATLAB 工具箱，可实现对软体、刚体及混合机器人的精确、快速且计算高效的静态与动态建模。该工具箱通过几何精确性最小化自由度，实现近实时或超实时仿真性能，经文献验证，并在多种机器人构型中得到验证，包括具有不同驱动器和载荷条件的开链、分支链和闭链系统。

ABSTRACT

Soft robotics has been a trending topic within the robotics community for almost two decades. However, available tools for the modeling and analysis of soft robots are still limited. This paper introduces a user-friendly MATLAB toolbox, Soft Robot Simulator (SoRoSim), that integrates the Geometric Variable Strain (GVS) model of Cosserat rods to facilitate the static and dynamic analysis of soft, rigid, or hybrid robotic systems. We present a brief overview of the design and structure of the toolbox and validate it by comparing its results with those published in the literature. To highlight the toolbox's potential to efficiently model, simulate, optimize, and control various robotic systems, we demonstrate four sample applications. The demonstrated applications explore different actuator and external loading conditions of single-, branched-, open-, and closed-chain robotic systems. We think that the soft-robotics research community will significantly benefit from the SoRoSim toolbox for a wide variety of applications.

研究动机与目标

• 为解决软体和混合机器人系统建模与分析中缺乏用户友好、精确且计算高效的工具的问题。
• 通过将几何精确方法扩展至混合系统，弥合传统刚体机器人建模与软体机器人之间的差距。
• 提供一个统一、直观的基于 MATLAB 的仿真、优化与控制框架，最大限度减少用户特定编码。
• 实现近实时或超实时仿真，以支持基于模型的控制和设计优化等应用。

提出的方法

• 该工具箱实现了基于 Cosserat 杆理论推导出的几何变应变（GVS）公式，可对软体连杆作为一维连续体进行几何精确建模。
• 采用嵌套高斯求积方案数值求解 GVS 方程，提升计算效率与精度。
• 系统采用用户友好的图形界面和 MATLAB 工作区集成，用于定义连杆、关节、自由度、约束以及外部与驱动载荷。
• 通过可编辑的 MATLAB 文件支持自定义外部载荷和驱动载荷函数，实现与优化和控制工具箱的无缝集成。
• 该框架可处理具有刚体和软体连杆的开链、分支链和闭链机器人系统，通过基于应变的参数化方法最小化自由度。
• 利用 MATLAB 生态系统（包括 Optimization Toolbox 和用户自定义函数），实现对控制和设计任务的无缝扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 GVS 方法的 MATLAB 工具箱是否能在软体和混合机器人系统仿真中实现高精度与计算效率？
• RQ2 与传统有限元法（FEM）和集中质量法相比，基于 GVS 的方法在速度和自由度数量方面表现如何？
• RQ3 该工具箱在各种驱动和载荷条件下，对包括分支链和闭链系统在内的多样化机器人构型的仿真能力有多强？
• RQ4 该工具箱能否支持近实时或超实时仿真，以用于基于模型的控制应用？
• RQ5 该工具箱在多大程度上能复现现有文献和数值研究的结果？

主要发现

• SoRoSim 工具箱在所有测试示例中均实现了近实时或超实时仿真性能，仿真运行时间（ts）始终低于实时时长（tmax）。
• 该工具箱通过与已发表文献和数值研究的对比验证，展现出高精度，证实了 GVS 公式的可靠性。
• 采用基于几何精确的 Cosserat 杆建模与变应变方法，显著减少了所需自由度数量，相比 FEM 和集中质量方法，仿真速度更快、效率更高。
• 该工具箱支持广泛的机器人构型，包括单连杆、分支链、开链和闭链系统，具备灵活的驱动与外部载荷配置能力。
• 与 MATLAB 工具箱及用户自定义函数的集成，使其能无缝扩展至优化与控制任务，显著提升其在科研与工程应用中的实用性。
• 性能基准测试表明，执行器力计算速度最高可达实时的 2.5 倍，具备在基于模型的逆动力学控制中应用的潜力。