Optimal Control for Articulated Soft Robots

要約

ソフト ロボットは、より安全な対話でタスクを実行できます。
しかし、システムの機能を効果的に活用できる制御技術はまだ不足しています。
微分動的プログラミング (DDP) は、高度に動的なタスクを実現するための有望なツールとして浮上しています。
しかし、ほとんどの文献では、純粋なフィードフォワード制御を使用して爆発的なタスクを実行することに加えて、数値微分を使用して多関節ソフト ロボットに DDP を適用する方法について扱っています。
さらに、作動が不十分な準拠ロボットは制御が難しいことが知られており、それらを制御するための DDP ベースのアルゴリズムの使用についてはまだ対処されていません。
我々は、状態軌道、入力トルク、剛性プロファイルを最適化できる多関節ソフトロボットの軌道最適化のための効率的なDDPベースのアルゴリズムを提案します。
当社は、直列弾性アクチュエータ (SEA)/可変剛性アクチュエータ (VSA) および駆動不足のコンプライアンス ロボットの順動力学および解析微分を計算する効率的な方法を提供します。
DDP から取得した局所的に最適なフィードバック ポリシーを使用する状態フィードバック コントローラーを紹介します。
私たちはシミュレーションと実験を通じて、さまざまなタスクのパフォーマンスと安定化特性を向上させるにはフィードバックの使用が重要であることを示します。
また、提案された方法を使用して、さまざまな程度の非作動で効果的に非作動の準拠ロボットを計画および制御できることも示します。

要約(オリジナル)

Soft robots can execute tasks with safer interactions. However, control techniques that can effectively exploit the systems’ capabilities are still missing. Differential dynamic programming (DDP) has emerged as a promising tool for achieving highly dynamic tasks. But most of the literature deals with applying DDP to articulated soft robots by using numerical differentiation, in addition to using pure feed-forward control to perform explosive tasks. Further, underactuated compliant robots are known to be difficult to control and the use of DDP-based algorithms to control them is not yet addressed. We propose an efficient DDP-based algorithm for trajectory optimization of articulated soft robots that can optimize the state trajectory, input torques, and stiffness profile. We provide an efficient method to compute the forward dynamics and the analytical derivatives of series elastic actuators (SEA)/variable stiffness actuators (VSA) and underactuated compliant robots. We present a state-feedback controller that uses locally optimal feedback policies obtained from DDP. We show through simulations and experiments that the use of feedback is crucial in improving the performance and stabilization properties of various tasks. We also show that the proposed method can be used to plan and control underactuated compliant robots, with varying degrees of underactuation effectively.

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