MAT-DiSMech: A Discrete Differential Geometry-based Computational Tool for Simulation of Rods, Shells, and Soft Robots

要約

ロボット工学には正確で効率的なシミュレーションツールが不可欠であり、システムのダイナミクスの視覚化と、物理的実験にリソースをコミットする前に制御法則の検証を可能にします。
物理的に正確なシミュレーションツールを開発することは、主に幾何学的に非線形変形の有病率のために、ソフトロボット工学で特に困難です。
さまざまなロボットシミュレーターが、サンプリングされた質量モデルなどの単純化されたモデリング手法を使用して、実際のアプリケーションの物理的な不正確さにつながることにより、この課題に取り組みます。
一方、有限要素分析などのソフト構造の高忠実度シミュレーション方法により、精度が向上しますが、計算コストが高くなります。
これに照らして、物理的精度と計算速度のバランスを提供する離散微分ジオメトリベースのシミュレーターを提示します。
ソフトロボットのロッドとシェルベースの表現に関する広範な研究団体に基づいて、当社のツールは、計算的に扱いやすい方法でソフトロボットを正確にモデル化する経路を提供します。
オープンソースMATLABベースのフレームワークは、主に暗黙の統合技術を利用して、ロッド、シェル、およびそれらの組み合わせの変形をシミュレートすることができます。
ソフトウェア設計は、ユーザーがコードをカスタマイズするためのモジュラーです。たとえば、新しい外力を追加してカスタム境界条件を課します。
重力、接触、動力学および粘性摩擦、空力抗力など、ロボット工学で遭遇する一般的な力の実装が提供されています。
機能を紹介し、シミュレータの物理的精度を検証するいくつかの例を提供します。
オープンソースコードは、https：//github.com/structurescomp/dismech-matlabで入手できます。
提案されたシミュレーターは、効果的なデジタルツインツールとして機能し、ソフトロボット研究のSIM2real経路を強化できると予想しています。

要約(オリジナル)

Accurate and efficient simulation tools are essential in robotics, enabling the visualization of system dynamics and the validation of control laws before committing resources to physical experimentation. Developing physically accurate simulation tools is particularly challenging in soft robotics, largely due to the prevalence of geometrically nonlinear deformation. A variety of robot simulators tackle this challenge by using simplified modeling techniques — such as lumped mass models — which lead to physical inaccuracies in real-world applications. On the other hand, high-fidelity simulation methods for soft structures, like finite element analysis, offer increased accuracy but lead to higher computational costs. In light of this, we present a Discrete Differential Geometry-based simulator that provides a balance between physical accuracy and computational speed. Building on an extensive body of research on rod and shell-based representations of soft robots, our tool provides a pathway to accurately model soft robots in a computationally tractable manner. Our open-source MATLAB-based framework is capable of simulating the deformations of rods, shells, and their combinations, primarily utilizing implicit integration techniques. The software design is modular for the user to customize the code, for example, add new external forces and impose custom boundary conditions. The implementations for prevalent forces encountered in robotics, including gravity, contact, kinetic and viscous friction, and aerodynamic drag, have been provided. We provide several illustrative examples that showcase the capabilities and validate the physical accuracy of the simulator. The open-source code is available at https://github.com/StructuresComp/dismech-matlab. We anticipate that the proposed simulator can serve as an effective digital twin tool, enhancing the Sim2Real pathway in soft robotics research.

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