Het benutten van natuurlijke dynamica voor efficiënte en robuuste controle van moderne robots: Identificatie en realisatie van ontwerppatronen

Motivatie: Vaak zijn controledoelstellingen zoals nauwkeurigheid en precisie van robotbewegingen en -krachten niet de enige eisen die aan het gedrag van de robot worden gesteld. Voor het uitvoeren van taken in dynamische en ongestructureerde omgevingen/omgevingen is het noodzakelijk dat de gebruikte softwarebesturingsmethode bovendien een hoge mate van efficiëntie en robuustheid in een robot mogelijk maakt, gezien de mechanische structuur en actuatiemogelijkheden van het systeem. Er is aangetoond dat de geavanceerde efficiëntie en robuustheid van mensen en dieren bij het uitvoeren van hun voortbewegings- en manipulatietaken mogelijk worden gemaakt door een besturingsparadigma dat gebruik maakt van (d.w.z. het voordeel haalt uit) hun natuurlijke dynamica. Deze inzichten motiveren ons om hetzelfde besturingsparadigma te overwegen, d.w.z. de natuurlijke dynamica van de robotsystemen te omarmen, en tegelijk het probleem aan te pakken om dergelijke geavanceerde prestaties voor onze robots mogelijk te maken.

Probleemstelling: De bestaande strategieën in de State of the Art zijn impliciet en niet voldoende generaliseerbaar als het gaat om evaluatie en exploitatie van de natuurlijke dynamica. Meer concreet: deze oplossingen i) geven geen duidelijke redenering over welke delen van de natuurlijke dynamica worden geëxploiteerd en hoe; ii) zijn toegesneden op specifieke mechanismen en taakformuleringen; en iii) in sommige gevallen, computationeel onpraktisch voor real-time toepassingen.

Geplande wetenschappelijke bijdrage: Deze doctoraatsstudie beoogt de ontwikkeling van herbruikbare controlemethodes voor de exploitatie van de natuurlijke dynamica van robots op verenigende, expliciete, algemene en real-time toepasbare manieren. Meer concreet zullen deze herbruikbare oplossingen een sterke stap zijn naar geavanceerde en rekenkundig efficiënte controle-algoritmen en -architecturen, en hun geautomatiseerde en formele ontwikkeling. In deze context hebben sommige van de hierboven gebruikte termen de volgende betekenis: verenigend - rekening houdend met alle mechanische eigenschappen die in het systeem beschikbaar zijn; expliciet - het is duidelijk welke delen van de natuurlijke dynamica worden benut en in welke hoedanigheid, tijdens de run-time; algemeen - de afgeleide methodologie kan worden toegepast op verschillende types manipulatoren, mobiele platforms en beenrobots, d.w.z. dat zij kan worden veralgemeend over een verscheidenheid van verschillende robotstructuren en actuatiemogelijkheden; real time toepasbaar - maakt het mogelijk real time berekeningen uit te voeren.

Hoofdtaak: Het is noodzakelijk om modelgebaseerde en/of leergebaseerde ontwerppatronen af te leiden voor de controleberekeningen die i) expliciet en algoritmisch alle kenmerken/aspecten van de natuurlijke dynamica van het systeem evalueren, of met andere woorden, alle effecten oplossen die de natuurlijke dynamica aan het systeem oplegt, op een holistische en recurrente manier; ii) bij de besturing slim gebruik te maken (te benutten) van hun kenmerken om de prestaties van een robot te verbeteren, in termen van efficiëntie en robuustheid; iii) structuren en representaties van dynamica en besturingswetten te benutten/leveren, zodanig dat de real-time toepasbaarheid van afgeleide algoritmen en algemene architecturen wordt verbeterd.