In this paper, we present a novel and generic data-driven method to servo-control the 3-D shape of continuum and soft robots embedded with fiber Bragg grating (FBG) sensors. Developments of 3-D shape perception and control technologies are crucial for continuum robots to perform the tasks autonomously in surgical interventions. However, owing to the nonlinear properties of continuum robots, one main difficulty lies in the modeling of them, especially for soft robots with variable stiffness. To address this problem, we propose a versatile learning-based adaptive controller by leveraging FBG shape feedback that can online estimate the unknown model of continuum robot against unexpected disturbances and exhibit an adaptive behavior to the unmodeled system without priori data exploration. Based on a new composite adaptation algorithm, the asymptotic convergences of the closed-loop system with learning parameters have been proven by Lyapunov theory. To validate the proposed method, we present a comprehensive experimental study by using two continuum robots both integrated with multi-core FBGs, including a robotic-assisted colonoscope and multi-section extensible soft manipulators. The results demonstrate the feasibility, adaptability, and superiority of our controller in various unstructured environments as well as phantom experiments.


翻译:在本文中,我们提出了一个创新的通用数据驱动方法,用于控制三维连续和软机器人的3D形状,这些连续和软机器人嵌入了纤维布拉格格格仪(FBG)传感器。3D形状的感知和控制技术的发展对于连续机器人在外科手术中自主地执行任务至关重要。然而,由于连续机器人的非线性特性,一个主要困难在于它们的建模,特别是软机器人的软机器人的建模。为了解决这个问题,我们提议了一个多功能的基于学习的适应控制器,利用FBG形状的反馈,可以在线估计连续机器人的未知模型,以对抗意外扰动,并展示一种适应非模型系统的行为,而无需事先进行数据探索。基于新的复合适应算法,Lyapunov理论证明了闭环系统与学习参数的无症状趋同。为了验证提议的方法,我们提出一项全面的实验研究,使用两个与多功能FBG组合的连续机器人,包括机器人辅助的共科托镜和多谱的软控制器结构。结果展示了我们作为稳定环境中的各种变制的变能力。

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