論文の概要: Model-based Optimal Control for Rigid-Soft Underactuated Systems
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.03435v1
- Date: Tue, 03 Feb 2026 11:59:36 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-03-23 08:17:41.137385
- Title: Model-based Optimal Control for Rigid-Soft Underactuated Systems
- Title（参考訳）: 剛体ソフト作動系のモデルベース最適制御
- Authors: Daniele Caradonna, Nikhil Nair, Anup Teejo Mathew, Daniel Feliu Talegón, Imran Afgan, Egidio Falotico, Cosimo Della Santina, Federico Renda,
- Abstract要約: 本研究は,非作動型ソフトシステム(ダイレクトコロケーション,動的微分プログラミング,モデル予測制御)の3つの最適制御戦略について検討する。
厳密な連続力学と制約された運動に対処するために、暗黙の統合スキームとウォームスタート戦略を用いて数値ロバスト性と計算効率を向上させる。
これらの手法は, ソフトカートポール, ソフトペンデュボット, ソフトフルタペンデュラムの3種類のソフトベンチマークシステムにおいて, 性能と計算上のトレードオフを強調したシミュレーションで評価された。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.552556328397673
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Continuum soft robots are inherently underactuated and subject to intrinsic input constraints, making dynamic control particularly challenging, especially in hybrid rigid-soft robots. While most existing methods focus on quasi-static behaviors, dynamic tasks such as swing-up require accurate exploitation of continuum dynamics. This has led to studies on simple low-order template systems that often fail to capture the complexity of real continuum deformations. Model-based optimal control offers a systematic solution; however, its application to rigid-soft robots is often limited by the computational cost and inaccuracy of numerical differentiation for high-dimensional models. Building on recent advances in the Geometric Variable Strain model that enable analytical derivatives, this work investigates three optimal control strategies for underactuated soft systems-Direct Collocation, Differential Dynamic Programming, and Nonlinear Model Predictive Control-to perform dynamic swing-up tasks. To address stiff continuum dynamics and constrained actuation, implicit integration schemes and warm-start strategies are employed to improve numerical robustness and computational efficiency. The methods are evaluated in simulation on three Rigid-Soft and high-order soft benchmark systems-the Soft Cart-Pole, the Soft Pendubot, and the Soft Furuta Pendulum- highlighting their performance and computational trade-offs.
- Abstract（参考訳）: 連続型ソフトロボットは本質的に不活性化されており、本質的な入力制約を受けており、特にハイブリッドソフトロボットでは動的制御が特に困難である。
既存の手法の多くは準静的な振る舞いに重点を置いているが、スイングアップのような動的タスクは連続体力学の正確な利用を必要とする。
これは、しばしば実連続体変形の複雑さを捉えるのに失敗する単純な低階テンプレートシステムの研究につながった。
モデルベース最適制御は、体系的な解を提供するが、高次元モデルにおける数値微分の計算コストと不正確さによって、剛性ソフトロボットへの応用が制限されることがしばしばある。
解析的微分を可能にする幾何可変ひずみモデルにおける最近の進歩を基礎として,不活性化ソフトシステムにおける3つの最適制御戦略(ダイレクトコロケーション,微分動的計画,非線形モデル予測制御)を考察し,動的スレッディングアップタスクを実行する。
厳密な連続力学と制約された運動に対処するために、暗黙の統合スキームとウォームスタート戦略を用いて数値ロバスト性と計算効率を向上させる。
これらの手法は, ソフトカートポール, ソフトペンデュボット, ソフトフルタペンデュラムの3種類のソフトベンチマークシステムにおいて, 性能と計算上のトレードオフを強調したシミュレーションで評価された。
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