In continuum robotics, real-time robust shape estimation is crucial for planning and control tasks that involve physical manipulation in complex environments. In this paper, we present a novel stochastic observer-based shape estimation framework designed specifically for continuum robots. The shape state space is uniquely represented by the modal coefficients of a polynomial, enabled by leveraging polynomial curvature kinematics (PCK) to describe the curvature distribution along the arclength. Our framework processes noisy measurements from limited discrete position, orientation, or pose sensors to estimate the shape state robustly. We derive a novel noise-weighted observability matrix, providing a detailed assessment of observability variations under diverse sensor configurations. To overcome the limitations of a single model, our observer employs the Interacting Multiple Model (IMM) method, coupled with Extended Kalman Filters (EKFs), to mix polynomial curvature models of different orders. The IMM approach, rooted in Markov processes, effectively manages multiple model scenarios by dynamically adapting to different polynomial orders based on real-time model probabilities. This adaptability is key to ensuring robust shape estimation of the robot's behaviors under various conditions. Our comprehensive analysis, supported by both simulation studies and experimental validations, confirms the robustness and accuracy of our methods.


翻译:在连续体机器人学中,实时鲁棒的形状估计对于复杂环境中涉及物理操作的规划与控制任务至关重要。本文提出了一种专为连续体机器人设计的新型基于随机观测器的形状估计框架。该框架通过利用多项式曲率运动学(PCK)描述沿弧长的曲率分布,将形状状态空间独特地表示为多项式的模态系数。我们的框架处理来自有限离散位置、方向或位姿传感器的噪声测量数据,以鲁棒地估计形状状态。我们推导出一种新颖的噪声加权可观测性矩阵,详细评估了不同传感器配置下可观测性的变化。为克服单一模型的局限性,我们的观测器采用交互多模型(IMM)方法,结合扩展卡尔曼滤波器(EKF),以混合不同阶数的多项式曲率模型。基于马尔可夫过程的IMM方法通过根据实时模型概率动态适应不同多项式阶数,有效管理多模型场景。这种适应性是确保在各种条件下对机器人行为进行鲁棒形状估计的关键。我们通过仿真研究和实验验证支持的综合分析,证实了所提方法的鲁棒性和准确性。

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