Soft robots offer significant advantages in safety and adaptability, yet achieving precise and dynamic control remains a major challenge due to their inherently complex and nonlinear dynamics. Recently, Data-enabled Predictive Control (DeePC) has emerged as a promising model-free approach that bypasses explicit system identification by directly leveraging input-output data. While DeePC has shown success in other domains, its application to soft robots remains underexplored, particularly for three-dimensional (3D) soft robotic systems. This paper addresses this gap by developing and experimentally validating an effective DeePC framework on a 3D, cable-driven soft arm. Specifically, we design and fabricate a soft robotic arm with a thick tubing backbone for stability, a dense silicone body with large cavities for strength and flexibility, and rigid endcaps for secure termination. Using this platform, we implement DeePC with singular value decomposition (SVD)-based dimension reduction for two key control tasks: fixed-point regulation and trajectory tracking in 3D space. Comparative experiments with a baseline model-based controller demonstrate DeePC's superior accuracy, robustness, and adaptability, highlighting its potential as a practical solution for dynamic control of soft robots.


翻译:软体机器人因其在安全性和适应性方面的显著优势而备受关注,但因其固有的复杂非线性动力学特性,实现精确动态控制仍是一项重大挑战。近年来,数据驱动预测控制(DeePC)作为一种新兴的无模型方法,通过直接利用输入-输出数据绕过了显式系统辨识过程。尽管DeePC已在其他领域展现出成功应用,但其在软体机器人,特别是三维(3D)软体机器人系统中的应用仍有待深入探索。本文通过开发并实验验证一个适用于三维线驱动软体臂的DeePC框架来填补这一空白。具体而言,我们设计并制造了一种软体机械臂:采用厚管骨架确保稳定性,利用带大空腔的致密硅胶体提供强度与柔韧性,并配备刚性端盖实现可靠固定。基于该平台,我们实现了结合奇异值分解(SVD)降维的DeePC方法,用于两项关键控制任务:三维空间中的定点调节与轨迹跟踪。与基于模型的基准控制器进行的对比实验表明,DeePC在精度、鲁棒性和适应性方面均表现更优,凸显了其作为软体机器人动态控制实用方案的潜力。

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软体机器人是一种新型柔软机器人,能够适应各种非结构化环境,与人类的交互也更安全。机器人本体利用柔软材料制作,一般认为是杨氏模量低于人类肌肉的材料;区别于传统机器人电机驱动,软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料;一般有介电弹性体(DE)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等等,从响应的物理量暂时分为如下几类:电场、压力、磁场、化学反应、光、温度。科学家依此设计了各种各样的软体机器人,大多数软体机器人的设计是模仿自然界各种生物,如蚯蚓、章鱼、水母等。
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