基于稀疏 IMU 测量及 $\mathfrak {so}(3)$ 中 B 样条插值的连续体机械手实时形状重建

《IEEE Robotics and Automation Letters》：Real-Time Shape Reconstruction of Continuum Manipulators From Sparse IMU Measurements via B-Spline Interpolation in $\mathfrak {so}(3)$

　　基于惯性测量单元（IMU）的低成本连续体操作器形状感知方法通常依赖于分段常数曲率或其他分段简化假设，这在稀疏朝向测量和耦合弯曲-扭转变形条件下限制了重建精度。本文提出了一种使用少量IMU的连续体操作器实时形状重建方法。在Cosserat杆框架内，离散的IMU朝向被映射到????(3)中，并使用B样条沿弧长进行插值以构建连续朝向场，然后通过积分相应的运动学恢复操作器中心线。与传统的分段表示相比，所提方法提供了弯曲和扭转的统一描述，并产生了高阶连续的形状表示。实验表明，该方法实现了50 Hz的实时重建和可视化，并在静态加载、动态运动以及弯曲-扭转耦合变形条件下提供了改进的尖端定位和形状重建精度。在最具有挑战性的实验中与分段常数应变和三次贝塞尔插值基线进行额外比较，进一步证明了连续朝向场重建相比分段模型在稀疏IMU形状感知方面的优势。连续体操作器是一种能够进行平滑大变形运动的柔性机器人[1], [2]，使其适用于受限和非结构化环境，包括微创手术[3]、在轨服务[4]和复杂检查任务。由于它们的构型沿弧长连续分布而不是由离散关节定义，准确的实时形状感知对于闭环控制和运行安全至关重要。