State estimation of robotic systems is essential to implementing feedback controllers which usually provide better robustness to modeling uncertainties than open-loop controllers. However, state estimation of soft robots is very challenging because soft robots have infinite degrees of freedom theoretically while existing sensors only provide a limited number of measurements. In this paper, we design an observer for soft robots based on the well-known Cosserat rod theory which models soft robots by nonlinear partial differential equations (PDEs). The observer is able to estimate all the continuous/infinite-dimensional robot states (poses, strains, and velocities) by only sensing the tip velocity of the robot (and hence it is called a ``boundary'' observer). More importantly, the estimation error dynamics is formally proven to be locally input-to-state stable. The key idea is to inject sequential tip velocity measurements into the observer in a way that dissipates the energy of the estimation errors through the boundary. Furthermore, this boundary observer can be implemented by simply changing a boundary condition in any numerical solvers of Cosserat rod models. Extensive numerical studies are included and suggest that the domain of attraction is large and the observer is robust to uncertainties of tip velocity measurements and model parameters.


翻译:机器人系统的状态估计对于实现反馈控制至关重要,反馈控制通常比开环控制更具有建模不确定性的鲁棒性。然而,软机器人的状态估计非常困难,因为软机器人在理论上具有无限的自由度,而现有的传感器只提供有限的测量。在本文中,我们设计了一种基于着名的Cosserat杆理论的软机器人观测器,该理论通过非线性偏微分方程(PDE)模拟软机器人。观察器能够通过仅感测机器人尖端速度(因此被称为“边界”观察器)来估计所有连续/无限维机器人状态(姿态、应变和速度)。更重要的是,证明了估计误差动态在本地输入到状态稳定。关键思想是以一种方式将序列尖端速度测量注入到观察器中,通过边界消耗估计误差的能量。此外,可以通过在Cosserat杆模型的任何数值求解器中简单地改变边界条件来实现此边界观察器。包括广泛的数值研究,表明吸引域很大,观察器对尖端速度测量和模型参数的不确定性具有很强的鲁棒性。

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