Previous on-manifold approaches to continuum robot state estimation have typically adopted simplified Cosserat rod models, which cannot directly account for actuation inputs or external loads. We introduce a general framework that incorporates uncertainty models for actuation (e.g., tendon tensions), applied forces and moments, process noise, boundary conditions, and arbitrary backbone measurements. By adding temporal priors across time steps, our method additionally performs joint estimation in both the spatial (arclength) and temporal domains, enabling full \textit{spacetime} state estimation. Discretizing the arclength domain yields a factor graph representation of the continuum robot model, which can be exploited for fast batch sparse nonlinear optimization in the style of SLAM. The framework is general and applies to a broad class of continuum robots; as illustrative cases, we show (i) tendon-driven robots in simulation, where we demonstrate real-time kinematics with uncertainty, tip force sensing from position feedback, and distributed load estimation from backbone strain, and (ii) a surgical concentric tube robot in experiment, where we validate accurate kinematics and tip force estimation, highlighting potential for surgical palpation.


翻译:以往基于流形的连续体机器人状态估计方法通常采用简化的 Cosserat 杆模型,这类模型无法直接考虑驱动输入或外部载荷。本文提出一个通用框架,该框架整合了驱动(如腱张力)、作用力与力矩、过程噪声、边界条件以及任意骨架测量的不确定性模型。通过引入跨时间步的时间先验,我们的方法进一步实现了空间(弧长)域与时间域的联合估计,从而能够进行完整的时空状态估计。通过对弧长域进行离散化,我们得到了连续体机器人模型的因子图表示,该表示可利用类似 SLAM 的快速批量稀疏非线性优化方法进行处理。本框架具有通用性,适用于广泛的连续体机器人类型;作为示例,我们展示了(i)仿真中的腱驱动机器人,我们演示了带不确定性的实时运动学、基于位置反馈的末端力感知,以及基于骨架应变的分布式载荷估计;(ii)实验中的外科同心管机器人,我们验证了精确的运动学与末端力估计,凸显了其在外科触诊中的应用潜力。

0
下载
关闭预览

相关内容

《机器人弹性物体感知技术研究》227页
专知会员服务
15+阅读 · 2025年11月20日
《人工智能驱动的无人机多学科概念设计》
专知会员服务
32+阅读 · 2024年11月15日
人形机器人深度:产业化渐行渐近,未来前景广阔
专知会员服务
39+阅读 · 2024年7月17日
基于深度学习的物体姿态估计综述
专知会员服务
26+阅读 · 2024年5月15日
最新《深度学习人体姿态估计》综述论文,26页pdf
专知会员服务
40+阅读 · 2020年12月29日
计算机视觉方向简介 | 人体姿态估计
计算机视觉life
28+阅读 · 2019年6月6日
深度学习人体姿态估计算法综述
AI前线
25+阅读 · 2019年5月19日
【泡泡图灵智库】基于CPU的实时6D物体姿态估计(arXiv)
泡泡机器人SLAM
12+阅读 · 2019年1月26日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员