Unified Inverse Dynamics of Modular Serial Mechanical Systems with Application to Soft Robotics

要約

ロボット分野では、単純な剛性ジョイントによって相互接続された直列/剛性リンクで構成される古典的なロボット システムからの漸進的な脱却が見られています。
ソフトロボットなどの新しいロボットコンセプトは、シリーズのような構造を維持していることが多いですが、その機械モジュールは複雑で型破りな関節パターンを示します。
これらのシステムのサブクラスに対する動的モデルの効率的な再帰的定式化に関する研究は、過去 10 年間で非常に活発に行われてきました。
しかし、今日の時点では、これらすべてのシステムの動作を記述できる単一の再帰逆ダイナミクス アルゴリズムはありません。
この論文では、ケイン方程式に基づく新しい反復定式化を提案することで、この課題に対処します。
その計算複雑さは最適です。つまり、モジュールの数に比例します。
提案された定式化がロボットの特定のサブクラスに対して必ずしも最先端の技術よりも効率的であるとは主張されていませんが、さまざまな複雑なシステムのモデリングにおけるその有用性を説明します。
我々は、ソフト ロボットの 2 つの新しいモデルを提案します。(i) 断面積に沿って変形する空気圧で作動するソフト アームのクラスと、(ii) ガウス関数を備えた区分的ひずみモデルです。

要約(オリジナル)

The robotic field has been witnessing a progressive departure from classic robotic systems composed of serial/stiff links interconnected by simple rigid joints. Novel robotic concepts, e.g., soft robots, often maintain a series-like structure, but their mechanical modules exhibit complex and unconventional articulation patterns. Research in efficient recursive formulations of the dynamic models for subclasses of these systems has been extremely active in the past decade. Yet, as of today, no single recursive inverse dynamics algorithm can describe the behavior of all these systems. This paper addresses this challenge by proposing a new iterative formulation based on Kane equations. Its computational complexity is optimal, i.e., linear with the number of modules. While the proposed formulation is not claimed to be necessarily more efficient than state-of-the-art techniques for specific subclasses of robots, we illustrate its usefulness in the modeling of different complex systems. We propose two new models of soft robots: (i) a class of pneumatically actuated soft arms that deform along their cross-sectional area, and (ii) a piecewise strain model with Gaussian functions.

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