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Smart Braid Feedback for the Closed-Loop Control of Soft Robotic Systems

机译：智能编织反馈用于软机器人系统的闭环控制

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摘要

This article experimentally investigates the potential of using flexible, inductance-based contraction sensors in the closed-loop motion control of soft robots. Accurate motion control remains a highly challenging task for soft robotic systems. Precise models of the actuation dynamics and environmental interactions are often unavailable. This renders open-loop control impossible, while closed-loop control suffers from a lack of suitable feedback. Conventional motion sensors, such as linear or rotary encoders, are difficult to adapt to robots that lack discrete mechanical joints. The rigid nature of these sensors runs contrary to the aspirational benefits of soft systems. As truly soft sensor solutions are still in their infancy, motion control of soft robots has so far relied on laboratory-based sensing systems such as motion capture, electromagnetic (EM) tracking, or Fiber Bragg Gratings. In this article, we used embedded flexible sensors known as Smart Braids to sense the contraction of McKibben muscles through changes in inductance. We evaluated closed-loop control on two systems: a revolute joint and a planar, one degree of freedom continuum manipulator. In the revolute joint, our proposed controller compensated for elasticity in the actuator connections. The Smart Braid feedback allowed motion control with a steady-state root-mean-square (RMS) error of [1.5]°. In the continuum manipulator, Smart Braid feedback enabled tracking of the desired tip angle with a steady-state RMS error of [1.25]°. This work demonstrates that Smart Braid sensors can provide accurate position feedback in closed-loop motion control suitable for field applications of soft robotic systems.
机译：本文通过实验研究了在柔性机器人的闭环运动控制中使用基于电感的柔性收缩传感器的潜力。对于软机器人系统而言，准确的运动控制仍然是一项极富挑战性的任务。通常无法获得致动动力学和环境相互作用的精确模型。这使得开环控制成为不可能，而闭环控制则缺乏合适的反馈。传统的运动传感器，例如线性或旋转编码器，很难适应缺少离散机械关节的机器人。这些传感器的刚性特性与软系统的理想优势背道而驰。由于真正的软传感器解决方案仍处于起步阶段，因此到目前为止，软机器人的运动控制一直依赖于基于实验室的传感系统，例如运动捕获，电磁（EM）跟踪或光纤布拉格光栅。在本文中，我们使用了称为Smart Braids的嵌入式柔性传感器，通过感应系数的变化来感知McKibben肌肉的收缩。我们在两个系统上评估了闭环控制：旋转关节和平面一自由度连续体机械手。在旋转接头中，我们建议的控制器补偿了执行器连接中的弹性。智能编织反馈支持运动控制，其稳态均方根（RMS）误差为[1.5]°。在连续操纵器中，智能编织反馈可跟踪所需的尖端角度，且稳态RMS误差为[1.25]°。这项工作表明，智能编织传感器可以在闭环运动控制中提供准确的位置反馈，适用于软机器人系统的现场应用。

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