Full State Estimation of Continuum Robots From Tip Velocities: A Cosserat-Theoretic Boundary Observer

要約

ロボット システムの状態推定は、通常、開ループ コントローラーよりもモデリングの不確実性に対して優れた堅牢性を提供するフィードバック コントローラーの実装に不可欠です。
ただし、ソフト ロボットには理論上無限の自由度があるのに対し、既存のセンサーでは限られた数の離散測定しか提供できないため、ソフト ロボットの状態推定は非常に困難です。
この論文では、非線形偏微分方程式 (PDE) によって連続体ロボット アームをモデル化するよく知られたコセラット ロッド理論に基づいて、ソフト連続体ロボット アーム用のオブザーバーを設計します。
観察者は、連続体ロボットの先端速度を感知するだけで、すべての連続体 (無限次元) ロボットの状態 (姿勢、ひずみ、および速度) を推定できます (したがって、観察者は「境界」観察者と呼ばれます)。
さらに重要なことは、推定誤差のダイナミクスが局所的に入力から状態まで安定していることが正式に証明されていることです。
重要なアイデアは、境界を介して推定誤差のエネルギーを散逸させる方法で、連続した先端速度測定値をオブザーバーに注入することです。
さらに、この境界オブザーバーは、コセラット ロッド モデルの数値ソルバーで境界条件を変更するだけで実装できます。
広範な数値研究が含まれており、引力領域が大きく、観測者が先端速度測定値とモデルパラメータの不確実性に対して頑強であることが示唆されています。

要約(オリジナル)

State estimation of robotic systems is essential to implementing feedback controllers which usually provide better robustness to modeling uncertainties than open-loop controllers. However, state estimation of soft robots is very challenging because soft robots have theoretically infinite degrees of freedom while existing sensors only provide a limited number of discrete measurements. In this paper, we design an observer for soft continuum robotic arms based on the well-known Cosserat rod theory which models continuum robotic arms by nonlinear partial differential equations (PDEs). The observer is able to estimate all the continuum (infinite-dimensional) robot states (poses, strains, and velocities) by only sensing the tip velocity of the continuum robot (and hence it is called a “boundary” observer). More importantly, the estimation error dynamics is formally proven to be locally input-to-state stable. The key idea is to inject sequential tip velocity measurements into the observer in a way that dissipates the energy of the estimation errors through the boundary. Furthermore, this boundary observer can be implemented by simply changing a boundary condition in any numerical solvers of Cosserat rod models. Extensive numerical studies are included and suggest that the domain of attraction is large and the observer is robust to uncertainties of tip velocity measurements and model parameters.

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