[论文解读] Efficient Force Estimation for Continuum Robot

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

Soft Robotics and Applications参考文献 28被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于曲率的快速且精确的力估计方法，用于连续体机器人，采用光纤布拉格光栅传感器（FBGS）和简化的柯塞尔特杆模型。通过在测量的局部曲率上应用最小二乘优化，该方法可估计单个或多个外部接触力的大小和位置，力的大小误差为5.25–12.87%，位置误差为1.02–2.19%，计算速度比传统方法快29至101.6倍。

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.

研究动机与目标

• 为解决在严格尺寸限制下无法嵌入力传感器时，对连续体机器人外部接触力估计的挑战。
• 克服传统力传感器仅能检测特定位置（如机器人末端）力的局限性。
• 开发一种计算高效的力估计方法，利用曲率测量结果估算机器人本体上力的大小和位置。
• 实现实时力估计，以确保在微创手术应用中安全且精确的交互。

提出的方法

• 通过假设无外部弯矩和轴向力，推导出简化的柯塞尔特杆模型，从而无需积分旋转矩阵即可实现快速曲率计算。
• 利用沿机器人长度分布的光纤布拉格光栅传感器（FBGS）测量局部曲率，提供鲁棒且与旋转无关的数据。
• 将力估计问题表述为最小二乘优化问题，以最小化计算曲率与测量曲率之间的误差。
• 通过求解最优力分布以匹配观测到的曲率分布，寻找包含估计力大小和位置的力向量。
• 避免迭代求解两点边值问题（BVP），与Levenberg-Marquardt或微分传播方法相比，显著降低了计算时间。
• 在290 mm的镍钛诺管上对模型进行了验证，测试条件包括单力、双力和三力作用，且力的作用位置和大小各不相同。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依靠曲率测量是否能够实现对连续体机器人上力的大小和位置的精确估计？
• RQ2 柯塞尔特杆模型的哪些简化假设可实现无需牺牲估计精度的快速曲率计算？
• RQ3 与基于两点边值问题的优化技术（如Levenberg-Marquardt和微分传播）相比，所提方法在速度和精度方面表现如何？
• RQ4 该方法能否可靠地同时估计机器人本体上多个接触力？
• RQ5 传感器噪声和测量误差对基于曲率方法的力估计精度有何影响？

主要发现

• 所提方法在单力、双力和三力情况下，平均力大小估计误差为5.25–12.87%。
• 力位置估计的平均误差为1.02–2.19%，表明具有较高的空间精度。
• 单力、双力和三力估计的均方根误差（RMSE）分别为0.084 ± 0.073 N、0.115 ± 0.102 N和0.1090 ± 0.1173 N。
• 在MATLAB中，单力、双力和三力估计的计算时间分别为0.134 s、0.344 s和0.730 s。
• 与使用微分传播和Levenberg-Marquardt优化求解两点边值问题的方法相比，该方法快29.0至101.6倍。
• 在无外部弯矩和轴向力的条件下推导出的简化模型，可在保持估计精度的同时实现快速曲率计算。