Safe Control for Soft-Rigid Robots with Self-Contact using Control Barrier Functions

要約

ロボット設計に柔軟なコンポーネントと剛性のコンポーネントの両方を組み込むことにより、コンプライアンスと強度の両方を可能にすることで、従来の剛性ロボットの制限に対する独自のソリューションが提供されます。
この論文では、特に自己接触の問題に対処しながら、ソフトとリジッドのハイブリッド ロボットを制御するための課題と解決策を検討します。
従来の制御方法は正確な状態追跡を優先しており、システム全体の剛性を不用意に高めてしまいましたが、これは環境やロボット自体との相互作用において必ずしも望ましいことではありません。
これに対処するために、直列接続されたソフト/リジッド ハイブリッド ロボットの自己接触シナリオを管理するためのコントロール バリア関数 (CBF) と高次 CBF のアプリケーションを調査します。
区分定曲率 (PCC) 運動学に基づく解析を通じて、自己接触ダイナミクスの古典的な制御フレームワーク内で CBF を確立します。
私たちの方法論は、シミュレーション環境と物理ハードウェア システムの両方で厳密に評価されます。
この研究結果は、私たちが提案した制御戦略がソフトとリジッドのハイブリッドロボットシステムにおける自己接触を効果的に制御し、ロボット工学の分野で大きな進歩をもたらすことを示しています。

要約(オリジナル)

Incorporating both flexible and rigid components in robot designs offers a unique solution to the limitations of traditional rigid robotics by enabling both compliance and strength. This paper explores the challenges and solutions for controlling soft-rigid hybrid robots, particularly addressing the issue of self-contact. Conventional control methods prioritize precise state tracking, inadvertently increasing the system’s overall stiffness, which is not always desirable in interactions with the environment or within the robot itself. To address this, we investigate the application of Control Barrier Functions (CBFs) and High Order CBFs to manage self-contact scenarios in serially connected soft-rigid hybrid robots. Through an analysis based on Piecewise Constant Curvature (PCC) kinematics, we establish CBFs within a classical control framework for self-contact dynamics. Our methodology is rigorously evaluated in both simulation environments and physical hardware systems. The findings demonstrate that our proposed control strategy effectively regulates self-contact in soft-rigid hybrid robotic systems, marking a significant advancement in the field of robotics.

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