[论文解读] Soft Robots Modeling: a Structured Overview

Costanza Armanini, Frédéric Boyer+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Micro and Nano Robotics被引用 5

一句话总结

本文对软体机器人的建模技术进行了全面而系统的综述，根据其理论与数值基础（如连续介质力学、有限元法、打靶法及数据驱动方法）对方法进行分类，为研究人员提供了对各类方法在精度、计算效率及在控制与仿真中适用性方面的批判性分析。

ABSTRACT

The robotics community has seen an exponential growth in the level of complexity of the theoretical tools presented for the modeling of soft robotics devices. Different solutions have been presented to overcome the difficulties related to the modeling of soft robots, often leveraging on other scientific disciplines, such as continuum mechanics, computational mechanics and computer graphics. These theoretical and computational foundations are often taken for granted and this leads to an intricate literature that, consequently, has rarely been the subject of a complete review. For the first time, we present here a structured overview of all the approaches proposed so far to model soft robots. The chosen classification, which is based on their theoretical and numerical grounds, allows us to provide a critical analysis about their uses and applicability. This will enable robotics researchers to learn the basics of these modeling techniques and their associated numerical methods, but also to have a critical perspective on their uses.

研究动机与目标

• 为应对软体机器人建模文献中日益增长的复杂性与碎片化问题，提出一个统一的分类框架。
• 使研究人员能够理解不同建模技术的理论根源及其实际权衡。
• 批判性评估各类方法在软体机器人控制、仿真与优化中的适用性。
• 基于数学与数值基础，揭示不同建模方法之间的结构相似性与差异性。
• 根据机器人设计、所需精度与计算约束，指导研究人员选择合适的建模技术。

提出的方法

• 根据数学与数值基础对软体机器人建模方法进行分类，而非依据应用或设计。
• 回顾基于连续介质力学的模型，包括Cosserat杆理论与有限元法（FEM），涵盖几何精确有限元法（GE-FEM）。
• 分析打靶法与模态-Ritz降阶技术（如GVS）在高效动态建模与面向控制的设计中的应用。
• 研究几何方法，如伪刚性模型与相对模态-Ritz方法，在简化运动学建模中的应用。
• 评估基于离散微分几何的离散杆方法在快速、交互式仿真中的应用。
• 讨论数据驱动模型与软件实现，强调其与机器人工作流程的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 主要软体机器人建模技术在基本理论与数值方法上存在哪些根本性差异？
• RQ2 各类建模方法的假设如何影响其精度与计算效率？
• RQ3 哪些建模方法最适用于软体机器人中的实时控制与优化？
• RQ4 与完全一致的模型（如GVS）相比，几何简化方法（如PCC）在机械保真度方面表现如何？
• RQ5 当前软体机器人建模技术的历史与跨学科根源是什么？

主要发现

• 基于Cosserat杆理论的几何精确有限元法（GE-FEM）在梁状软体机器人中提供了高精度与高计算效率。
• 如GVS等模态-Ritz降阶方法可生成显式、低维的动态模型，适用于软体机器人的基于模型控制。
• 打靶法通过高效求解两点边值问题，实现了软体机器人的快速实时仿真。
• 基于离散微分几何的离散杆方法在数学上完全与Cosserat理论一致，非常适合交互式仿真。
• 如PCC等几何方法在一般情况下存在机械不一致性，应尽可能用更严谨的替代方法（如GVS）取代。
• 数据驱动模型与商业软件集成仍显不足，凸显了机器人应用中工具可用性的缺口。