Published January 1, 2020
| Version v1
Publication
Open
Nonlinear Model Predictive Growth Control of a Class of Plant-Inspired Soft Growing Robots
- 1. Benha University
- 2. University of Salford
- 3. Norwegian University of Science and Technology
- 4. Korea Advanced Institute of Science and Technology
Description
Recently, researchers have shown an increased interest in considering plants as a model of inspiration for designing new robot locomotions. Growing robots, that imitate the biological growth presented by plants, have proved irresistible in unpredictable and distal environments due to their morphological adaptation and tip-extension capabilities. However, as a result of the irreversible growing process exhibited by growing robots, classical control schemes could fail in obtaining feasible solutions that respect the permanent growth constraint. Thus, in this article, a Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) scheme is proposed to guarantee the robot's performance towards point stabilization while respecting the constraints imposed by the growing process and the control limits. The proposed NMPC-based growth control has applied to the kinematic model of the recently proposed plant-inspired robots in the literature, namely, vine-like growing robots. Numerical simulations have been performed to show the effectiveness of the proposed NMPC-based growth control in terms of point stabilization, disturbance rejection, and obstacle avoidance and encouraging results were obtained. Finally, the robustness of the proposed NMPC-based growth control is analyzed against various input disturbances using Monte-Carlo simulations that could guide the tuning process of the NMPC.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
في الآونة الأخيرة، أظهر الباحثون اهتمامًا متزايدًا بالنظر إلى النباتات كنموذج للإلهام لتصميم حركات روبوتية جديدة. أثبتت الروبوتات المتنامية، التي تحاكي النمو البيولوجي الذي تقدمه النباتات، أنها لا تقاوم في البيئات البعيدة التي لا يمكن التنبؤ بها بسبب تكيفها المورفولوجي وقدراتها على تمديد الأطراف. ومع ذلك، نتيجة لعملية النمو التي لا رجعة فيها والتي أظهرتها الروبوتات المتنامية، يمكن أن تفشل مخططات التحكم الكلاسيكية في الحصول على حلول مجدية تحترم قيود النمو الدائمة. وبالتالي، في هذه المقالة، يُقترح مخطط التحكم التنبؤي بالنموذج غير الخطي (NMPC) لضمان أداء الروبوت نحو استقرار النقطة مع احترام القيود التي تفرضها العملية المتنامية وحدود التحكم. تم تطبيق التحكم في النمو القائم على NMPC المقترح على النموذج الحركي للروبوتات المستوحاة من النباتات المقترحة مؤخرًا في الأدبيات، وهي الروبوتات المتنامية الشبيهة بالكرمة. تم إجراء عمليات محاكاة عددية لإظهار فعالية التحكم في النمو القائم على NMPC المقترح من حيث استقرار النقطة ورفض الاضطراب وتجنب العوائق وتم الحصول على نتائج مشجعة. أخيرًا، يتم تحليل متانة التحكم في النمو القائم على NMPC المقترح مقابل اضطرابات المدخلات المختلفة باستخدام محاكاة مونت كارلو التي يمكن أن توجه عملية ضبط NMPC.Translated Description (French)
Récemment, les chercheurs ont montré un intérêt croissant pour considérer les plantes comme un modèle d'inspiration pour la conception de nouvelles locomotions de robots. Les robots de culture, qui imitent la croissance biologique présentée par les plantes, se sont révélés irrésistibles dans des environnements imprévisibles et distaux en raison de leurs capacités d'adaptation morphologique et d'extension de la pointe. Cependant, en raison du processus de croissance irréversible présenté par les robots en croissance, les systèmes de contrôle classiques pourraient échouer à obtenir des solutions réalisables qui respectent la contrainte de croissance permanente. Ainsi, dans cet article, un schéma de contrôle prédictif de modèle non linéaire (NMPC) est proposé pour garantir les performances du robot vers la stabilisation du point tout en respectant les contraintes imposées par le processus de croissance et les limites de contrôle. Le contrôle de la croissance basé sur NMPC proposé a été appliqué au modèle cinématique des robots d'inspiration végétale récemment proposés dans la littérature, à savoir les robots de culture ressemblant à de la vigne. Des simulations numériques ont été effectuées pour montrer l'efficacité du contrôle de la croissance basé sur le NMPC proposé en termes de stabilisation ponctuelle, de rejet des perturbations et d'évitement des obstacles et des résultats encourageants ont été obtenus. Enfin, la robustesse du contrôle de croissance basé sur NMPC proposé est analysée par rapport à diverses perturbations d'entrée à l'aide de simulations Monte-Carlo qui pourraient guider le processus de réglage du NMPC.Translated Description (Spanish)
Recientemente, los investigadores han mostrado un mayor interés en considerar las plantas como un modelo de inspiración para diseñar nuevas locomotoras robóticas. Los robots en crecimiento, que imitan el crecimiento biológico que presentan las plantas, han demostrado ser irresistibles en entornos impredecibles y distales debido a sus capacidades de adaptación morfológica y extensión de la punta. Sin embargo, como resultado del proceso de crecimiento irreversible exhibido por los robots en crecimiento, los esquemas de control clásicos podrían fallar en la obtención de soluciones factibles que respeten la restricción de crecimiento permanente. Por lo tanto, en este artículo, se propone un esquema de Control Predictivo de Modelo No Lineal (NMPC) para garantizar el rendimiento del robot hacia la estabilización de puntos respetando las restricciones impuestas por el proceso de crecimiento y los límites de control. El control de crecimiento basado en NMPC propuesto se ha aplicado al modelo cinemático de los robots inspirados en plantas recientemente propuestos en la literatura, a saber, robots de cultivo similares a vides. Se han realizado simulaciones numéricas para mostrar la efectividad del control de crecimiento basado en NMPC propuesto en términos de estabilización puntual, rechazo de perturbaciones y evitación de obstáculos, y se obtuvieron resultados alentadores. Finalmente, la robustez del control de crecimiento basado en NMPC propuesto se analiza contra diversas perturbaciones de entrada utilizando simulaciones de Monte-Carlo que podrían guiar el proceso de ajuste del NMPC.Files
09274302.pdf.pdf
Files
(245 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:9f19ada6fe05039ed07140272483da06
|
245 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نموذج غير خطي للتحكم في النمو التنبؤي لفئة من روبوتات النمو الناعمة المستوحاة من النباتات
- Translated title (French)
- Modèle non linéaire Contrôle de la croissance prédictive d'une classe de robots de culture douce inspirés des plantes
- Translated title (Spanish)
- Modelo no lineal de control predictivo del crecimiento de una clase de robots de crecimiento blando inspirados en plantas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3109113489
- DOI
- 10.1109/access.2020.3041616
References
- https://openalex.org/W1524850010
- https://openalex.org/W1964258484
- https://openalex.org/W1978956894
- https://openalex.org/W1999914576
- https://openalex.org/W2092820915
- https://openalex.org/W2096645690
- https://openalex.org/W2101667962
- https://openalex.org/W2164473601
- https://openalex.org/W2170836916
- https://openalex.org/W2566162379
- https://openalex.org/W2575311593
- https://openalex.org/W2589653451
- https://openalex.org/W2734595964
- https://openalex.org/W2737491236
- https://openalex.org/W2790484837
- https://openalex.org/W2842089854
- https://openalex.org/W2870735678
- https://openalex.org/W2890088732
- https://openalex.org/W2890132254
- https://openalex.org/W2896056663
- https://openalex.org/W2899751617
- https://openalex.org/W2905266221
- https://openalex.org/W2911021453
- https://openalex.org/W2969919508
- https://openalex.org/W3032668866
- https://openalex.org/W3046948677