DisMech: A Discrete Differential Geometry-based Physical Simulator for Soft Robots and Structures

要約

高速、正確、一般化可能なシミュレーションは、ロボットの設計と制御における現代の進歩を可能にする重要な要素です。
ただし、ロボット工学における既存のシミュレーション フレームワークは、硬い環境とメカニズムのみをモデル化するか、柔軟な構造や柔らかい構造が含まれる場合、これらのパフォーマンス領域の 1 つ以上で大きな問題が発生します。
この「sim2real」のギャップを埋めるために、棒状の柔らかい連続体ロボットと構造物の非常に動的な動きを、それらの間の任意の接続を使用して迅速かつ正確にモデル化するシミュレーション環境である DisMech を導入します。
私たちの方法論は、完全に暗黙的な離散微分幾何学ベースの物理ソルバーと、高速かつ正確な接触処理をすべて直感的なソフトウェア インターフェイスで組み合わせています。
重要なのは、ハードウェア ロボット プロトタイプの動きを DisMech の制御入力に簡単にマッピングするための勾配降下法アプローチを提案することです。
私たちは、以前の最先端技術に比べて桁違いに速度が向上することを実証しながら、いくつかの非常にニュアンスの高いソフト ロボット シミュレーションを通じて DisMech を検証します。
当社の real2sim 検証では、形状記憶合金ワイヤーなどの複雑なソフト作動メカニズムを使用した場合でも、ハードウェアと比較して高い物理的精度を示しています。
DisMech は、低い計算コスト、物理的精度、使いやすさにより、ソフト ロボティクスと変形可能なオブジェクトの操作の両方に対するシミュレーション ベースの制御の変換を加速できます。

要約(オリジナル)

Fast, accurate, and generalizable simulations are a key enabler of modern advances in robot design and control. However, existing simulation frameworks in robotics either model rigid environments and mechanisms only, or if they include flexible or soft structures, suffer significantly in one or more of these performance areas. To close this ‘sim2real’ gap, we introduce DisMech, a simulation environment that models highly dynamic motions of rod-like soft continuum robots and structures, quickly and accurately, with arbitrary connections between them. Our methodology combines a fully implicit discrete differential geometry-based physics solver with fast and accurate contact handling, all in an intuitive software interface. Crucially, we propose a gradient descent approach to easily map the motions of hardware robot prototypes to control inputs in DisMech. We validate DisMech through several highly-nuanced soft robot simulations while demonstrating an order of magnitude speed increase over previous state of the art. Our real2sim validation shows high physical accuracy versus hardware, even with complicated soft actuation mechanisms such as shape memory alloy wires. With its low computational cost, physical accuracy, and ease of use, DisMech can accelerate translation of sim-based control for both soft robotics and deformable object manipulation.

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