Dynamic Modeling of Branched Robots using Modular Composition

要約

運動学的構造がツリーである分岐ロボットなどの複雑なロボット システムをモデリングする場合、現在の技術では、分岐の部分モデルが利用可能な場合でも、構造全体を最初からモデリングする必要があることがよくあります。
この論文では、それぞれが任意の数の剛体で構成されるいくつかのサブシステムで構成される分岐ロボットの動的モデリングのための体系的なモジュール手順を提案し、各分岐の以前のモデルを再利用することによって最終的な動的モデルを提供します。
以前のアプローチとは異なり、提案された戦略は、一部のサブシステムがブラック ボックスとみなされる場合でも適用可能であり、ツイストとその時間導関数、およびそれらのサブシステム間の接続点でのレンチのみが必要です。
モデルの構成を支援するために、重み付き有向グラフ表現も提案します。この重みは、ねじれとその時間導関数、およびサブシステム間のレンチの伝播をエンコードします。
グラフ相互接続マトリックスに対する単純な線形演算により、システム全体のダイナミクスが得られます。
8 つのサブシステムで構成される 24-DoF 固定ベース分岐ロボットを使用した数値結果は、提案された形式主義がロボット動的モデリング用の最先端のライブラリと同じくらい正確であることを示しています。
3 つのサブシステムで構成される 30-DoF ホロノミック分岐モバイル マニピュレーターを使用した追加の結果は、現代のロボット シミュレーターに対するモデルの忠実性と、ブラック ボックス サブシステムを処理する機能を示しています。
派生した動的モデルを閉ループ制御でどのように使用できるかをさらに説明するために、分岐ロボット用のモデルベースのレンチ駆動姿勢制御の簡単な定式化も示します。

要約(オリジナル)

When modeling complex robot systems such as branched robots, whose kinematic structures are a tree, current techniques often require modeling the whole structure from scratch, even when partial models for the branches are available. This paper proposes a systematic modular procedure for the dynamic modeling of branched robots comprising several subsystems, each composed of an arbitrary number of rigid bodies, providing the final dynamic model by reusing previous models of each branch. Unlike previous approaches, the proposed strategy is applicable even if some subsystems are regarded as black boxes, requiring only twists and their time derivatives, and wrenches at the connection points between those subsystems. To help in the model composition, we also propose a weighted directed graph representation where the weights encode the propagation of twists and their time derivatives, and wrenches between the subsystems. A simple linear operation on the graph interconnection matrix provides the dynamics of the whole system. Numerical results using a 24-DoF fixed-base branched robot composed of eight subsystems show that the proposed formalism is as accurate as a state-of-the-art library for robotic dynamic modeling. Additional results using a 30-DoF holonomic branched mobile manipulator composed of three subsystems demonstrate the fidelity of our model to a modern robotics simulator and its capability of dealing with black box subsystems. To further illustrate how the derived dynamic model can be used in closed-loop control, we also present a simple formulation of a model-based wrench-driven pose control for branched robots.

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