Control-Oriented Models for Hyperelastic Soft Robots Through Differential Geometry of Curves

超弹性材料 软机器人 稳健性(进化) 控制理论(社会学) 常曲率 曲率 计算机科学 机器人 有限元法 机器人学 数学 人工智能 几何学 工程类 结构工程 生物化学 化学 控制(管理) 基因
作者
Brandon Caasenbrood,A. Pogromsky,Henk Nijmeijer
出处
期刊:Soft robotics [Mary Ann Liebert, Inc.]
卷期号:10 (1): 129-148 被引量:17
标识
DOI:10.1089/soro.2021.0035
摘要

The motion complexity and use of exotic materials in soft robotics call for accurate and computationally efficient models intended for control. To reduce the gap between material and control-oriented research, we build upon the existing piece-wise constant curvature framework by incorporating hyperelastic and viscoelastic material behavior. In this work, the continuum dynamics of the soft robot are derived through the differential geometry of spatial curves, which are then related to finite-element data to capture the intrinsic geometric and material nonlinearities. To enable fast simulations, a reduced-order integration scheme is introduced to compute the dynamic Lagrangian matrices efficiently, which in turn allows for real-time (multilink) models with sufficient numerical precision. By exploring the passivity and using the parameterization of the hyperelastic model, we propose a passivity-based adaptive controller that enhances robustness toward material uncertainty and unmodeled dynamics-slowly improving their estimates online. As a study-case, a soft robot manipulator is developed through additive manufacturing, which shows good correspondence with the dynamic model under various conditions, for example, natural oscillations, forced inputs, and under tip-loads. The solidity of the approach is demonstrated through extensive simulations, numerical benchmarks, and experimental validations.
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