Safe Autonomous Environmental Contact for Soft Robots using Control Barrier Functions

要約

柔らかい材料で作られたロボットは、硬い対応物よりも本質的に低い環境力を適用するため、意図しない接触を伴う敏感な設定ではより適している可能性があります。
ただし、これらのロボットの適用力は、設計と制御システムの両方が閉ループでの制御システムの両方に起因するため、これらの力の境界を確保するには、安全のためにコントローラー合成も必要です。
この記事では、環境接触に関する安全仕様を正式に満たすソフトマニピュレーターの最初のフィードバックコントローラーを紹介します。
概念実証設定では、ロボットの環境はジオメトリを既知であり、既知の弾性弾性率で変形可能です。
私たちのアプローチは、環境の予測された変形を介して、ロボットの先端の安全な位置に適用された力をマッピングします。
次に、制約の制御バリア関数を備えた2次プログラムを使用して、名目フィードバック信号を監督し、この安全なセット内のロボットのチップを検証的に維持します。
マルチセグメントのソフト空気圧ロボットでのハードウェア実験は、提案されたフレームワークが環境接触力を正常に制約することを示しています。
このフレームワークは、ソフトロボットの制御と安全性に関する視点の根本的な変化を表し、ポーズと接触力に関する正式に検証可能なロジック仕様を定義および実装します。

要約(オリジナル)

Robots built from soft materials will inherently apply lower environmental forces than their rigid counterparts, and therefore may be more suitable in sensitive settings with unintended contact. However, these robots’ applied forces result from both their design and their control system in closed-loop, and therefore, ensuring bounds on these forces requires controller synthesis for safety as well. This article introduces the first feedback controller for a soft manipulator that formally meets a safety specification with respect to environmental contact. In our proof-of-concept setting, the robot’s environment has known geometry and is deformable with a known elastic modulus. Our approach maps a bound on applied forces to a safe set of positions of the robot’s tip via predicted deformations of the environment. Then, a quadratic program with Control Barrier Functions in its constraints is used to supervise a nominal feedback signal, verifiably maintaining the robot’s tip within this safe set. Hardware experiments on a multi-segment soft pneumatic robot demonstrate that the proposed framework successfully constrains its environmental contact forces. This framework represents a fundamental shift in perspective on control and safety for soft robots, defining and implementing a formally verifiable logic specification on their pose and contact forces.

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