Continuum robot state estimation using Gaussian process regression on SE(3)

机器人 克里金 高斯过程 高斯分布 计算机科学 人工智能 控制理论(社会学) 基本事实 姿势 算法 数学 物理 机器学习 量子力学 控制(管理)
作者
Sven Lilge,Timothy D. Barfoot,Jessica Burgner-Kahrs
出处
期刊:The International Journal of Robotics Research [SAGE Publishing]
卷期号:41 (13-14): 1099-1120 被引量:41
标识
DOI:10.1177/02783649221128843
摘要

Continuum robots have the potential to enable new applications in medicine, inspection, and countless other areas due to their unique shape, compliance, and size. Excellent progress has been made in the mechanical design and dynamic modeling of continuum robots, to the point that there are some canonical designs, although new concepts continue to be explored. In this paper, we turn to the problem of state estimation for continuum robots that can been modeled with the common Cosserat rod model. Sensing for continuum robots might comprise external camera observations, embedded tracking coils, or strain gauges. We repurpose a Gaussian process (GP) regression approach to state estimation, initially developed for continuous-time trajectory estimation in SE(3). In our case, the continuous variable is not time but arclength and we show how to estimate the continuous shape (and strain) of the robot (along with associated uncertainties) given discrete, noisy measurements of both pose and strain along the length. We demonstrate our approach quantitatively through simulations as well as through experiments. Our evaluations show that accurate and continuous estimates of a continuum robot’s shape can be achieved, resulting in average end-effector errors between the estimated and ground truth shape as low as 3.5 mm and 0.016° in simulation or 3.3 mm and 0.035° for unloaded configurations and 6.2 mm and 0.041° for loaded ones during experiments, when using discrete pose measurements.
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