A Real-time State and Disturbance Estimation Approach for Soft Robots with Finite Element Method Modelling

Abstract

Perception of soft robot is essential to enhance the performance and the ability of soft robots in real world application such as manipulation, and locomotion. We propose a real-time state and disturbance estimation algorithm for soft robots. First, we model soft robot dynamics using linear finite element method(FEM) and perform balanced model reduction(BMR) for given contact and actuation mode. Then, for the case where there exist no internal actuation, we propose a state and disturbance estimation algorithm based on least square with additional energy cost and state projection. Finally, when internal actuation exists, with the assumption of random walk disturbance, we formulate a filtering based estimation that simultaneously estimates state and disturbance. The performance of the algorithm is tested by simulations and experiments.

본 논문에서는 온보드 센서 기반 소프트 로봇의 실시간 상태 및 외력추정 알고리즘의 개발에 대해서 기술한다.

유한요소방법을 기반으로 소프트로봇을 모델링하였고 이를 모델 축소와 모델 스위칭 기법을 사용하여 실시간 연산을 가능하게 하였다. 자체 액츄에이션이 없는 경우 에너지와 측정 에러를 코스트로 하여 최적화 기법을 통해 형상추정을 진행하였고 이를 변위공간에 투영하여 외력추정을 하는 알고리즘을 개발하였다. 자체 액츄에이션이 있는 경우 외력을 랜덤워크로 모델링하여 필터링 기반으로 상태와 외력을 동시추정하는 알고리즘을 개발하였다. 개발한 알고리즘은 시뮬레이션과 제작된 소프트로봇을 통하여 검증되었다.