Traditionally, robots are regarded as universal motion generation machines. They are designed mainly by kinematics considerations while the desired dynamics is imposed by strong actuators and high-rate control loops. As an alternative, one can first consider the robot's intrinsic dynamics and optimize it in accordance with the desired tasks. Therefore, one needs to better understand intrinsic, uncontrolled dynamics of robotic systems. In this paper we focus on periodic orbits, as fundamental dynamic properties with many practical applications. Algebraic topology and differential geometry provide some fundamental statements about existence of periodic orbits. As an example, we present periodic orbits of the simplest multi-body system: the double-pendulum in gravity. This simple system already displays a rich variety of periodic orbits. We classify these into three classes: toroidal orbits, disk orbits and nonlinear normal modes. Some of these we found by geometrical insights and some by numerical simulation and sampling.
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如果机器人曾经实现与动物所展示的机器人相当的自动运动，则它们必须获得在损害，故障或环境条件下快速恢复运动行为的能力，从而损害了其有效移动的能力。我们提出了一种方法，该方法使我们的机器人和模拟机器人能够在几十次尝试中恢复自由运动行为的高度。我们的方法采用行为规范，以等级的差异约束来表达所需的行为。我们展示了如何通过编码模板来考虑这些约束，从而产生了将先前优化的行为推广到新情况下以快速学习的形式概括的秘诀。我们进一步说明，在数据驱动的上下文中，足够的限制通常很容易确定。作为例证，我们证明了我们在物理7 DOF六型六杆元机器人上的恢复方法，以及对6 DOF 2D运动机制的模拟。在这两种情况下，我们恢复了与先前优化的运动在功能上无法区分的行为。
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It is well known that conservative mechanical systems exhibit local oscillatory behaviours due to their elastic and gravitational potentials, which completely characterise these periodic motions together with the inertial properties of the system. The classification of these periodic behaviours and their geometric characterisation are in an on-going secular debate, which recently led to the so-called eigenmanifold theory. The eigenmanifold characterises nonlinear oscillations as a generalisation of linear eigenspaces. With the motivation of performing periodic tasks efficiently, we use tools coming from this theory to construct an optimization problem aimed at inducing desired closed-loop oscillations through a state feedback law. We solve the constructed optimization problem via gradient-descent methods involving neural networks. Extensive simulations show the validity of the approach.
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机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。
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人类和机器人的动态运动是由姿势依赖性的非线性相互作用在自由程度之间广泛驱动的。但是，在研究人类运动产生的机制时，这些动力学效应仍被忽略。受最近作品的启发，我们假设人类运动计划为地球协同序列，因此对应于用分段最小能量实现的协调关节运动。基础计算模型建立在Riemannian几何形状上，以说明身体的惯性特征。通过对各种人类手臂运动的分析，我们发现我们的模型片段运动转化为测量协同作用，并成功预测了观察到的手臂姿势，手动轨迹及其各自的速度曲线。此外，我们表明我们的分析可以进一步利用，以通过将单个人类协同作用作为机器人配置空间中的地球途径转移到机器人中。
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在这项工作中，我们介绍了一个非线性动力学观点，可以为腿部系统的充满活力保守的模型生成和连接步态。特别是，我们表明，保守步态的集合构成了步态空间中局部定义的1D子手机的连接空间。这些歧管是通过能级的无坐标参数化的。我们提出了通过使用数值延续方法，生成集合和分叉点来识别步态家族的算法。为此，我们还介绍了数值实现的几个详细信息。最重要的是，我们为德拉斯斯矩阵建立了必要条件，以在影响范围内保持能量。我们工作的一个重要应用是简单的腿部运动模型，通常能够以几个自由度和少量的物理参数来捕获腿部运动的复杂性。我们证明了框架在具有四个自由度的单足料斗中的功效。
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本文介绍了一组数字方法，用于在不变（弹性）二阶Sobolev指标的设置中对3D表面进行Riemannian形状分析。更具体地说，我们解决了代表为3D网格的参数化或未参数浸入式表面之间的测量学和地球距离的计算。在此基础上，我们为表面集的统计形状分析开发了工具，包括用于估算Karcher均值并在形状群体上执行切线PCA的方法，以及计算沿表面路径的平行传输。我们提出的方法从根本上依赖于通过使用Varifold Fidelity术语来为地球匹配问题提供轻松的变异配方，这使我们能够在计算未参数化表面之间的地理位置时强制执行重新训练的独立性，同时还可以使我们能够与多用途算法相比，使我们能够将表面与vare表面进行比较。采样或网状结构。重要的是，我们演示了如何扩展放松的变分框架以解决部分观察到的数据。在合成和真实的各种示例中，说明了我们的数值管道的不同好处。
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Dexterous and autonomous robots should be capable of executing elaborated dynamical motions skillfully. Learning techniques may be leveraged to build models of such dynamic skills. To accomplish this, the learning model needs to encode a stable vector field that resembles the desired motion dynamics. This is challenging as the robot state does not evolve on a Euclidean space, and therefore the stability guarantees and vector field encoding need to account for the geometry arising from, for example, the orientation representation. To tackle this problem, we propose learning Riemannian stable dynamical systems (RSDS) from demonstrations, allowing us to account for different geometric constraints resulting from the dynamical system state representation. Our approach provides Lyapunov-stability guarantees on Riemannian manifolds that are enforced on the desired motion dynamics via diffeomorphisms built on neural manifold ODEs. We show that our Riemannian approach makes it possible to learn stable dynamical systems displaying complicated vector fields on both illustrative examples and real-world manipulation tasks, where Euclidean approximations fail.
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动态MRI可以捕获具有高对比度的软组织器官中的时间解剖变化，但是获得的序列通常遭受有限的体积覆盖，这使得器官形状轨迹的高分辨率重建在时间研究中的主要挑战。由于腹部器官形状的变异性跨越时间和受试者，本研究的目的是朝向3D致密速度测量来完全覆盖整个表面并提取有意义的特征，其特征在于观察到的器官变形并实现临床作用或决定。我们在深呼吸运动期间提出了一种用于表征膀胱表面动力学的管道。对于紧凑的形状表示，首先使用重建的时间体积来使用LDDMM框架建立专用的动态4D网状序列。然后，我们从诸如网格伸长和失真的机械参数执行器官动力学的统计表征。由于我们将器官引用作为非平面，因此我们还使用平均曲率变化为度量来量化表面演变。然而，曲率的数值计算强烈地取决于表面参数化。为了应对这一依赖性，我们采用了一种用于表面变形分析的新方法。独立于参数化并最小化测地曲线的长度，通过最小化Dirichlet能量，它使表面曲线平滑地朝向球体。 eulerian PDE方法用于从曲线缩短流中导出形状描述符。使用Laplace Beltrami操作员特征函数来计算各个运动模式之间的接口，用于球形映射。用于提取用于局部控制的模拟形状轨迹的表征相关曲线的应用演示了所提出的形状描述符的稳定性。
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柔性章鱼臂具有卓越的能力，可以协调大量自由度并执行复杂的操纵任务。结果，这些系统继续吸引生物学家和机器人的注意力。在本文中，我们开发了一个三维模型的软章鱼臂，配备了生物力学上逼真的肌肉致动。考虑了所有主要肌肉群施加的内力和夫妇。描述了一种能量塑形控制方法来协调肌肉活动，以便在3D空间中掌握和触及。本文的主要贡献是：（i）主要肌肉群建模以引起三维运动； （ii）基于存储的能量功能的肌肉激活的数学公式； （iii）通过在特殊欧几里得组SE中解决优化问题获得的设计特定于任务的平衡配置的计算有效过程（3）。然后，根据优化问题解决方案引起的共同状态变量，对肌肉控制进行迭代计算。该方法在物理准确的软件环境弹性中得到了数值的证明。报告了模拟观察到的章鱼行为的数值实验的结果。
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Roadheader是一款在地下工程和采矿行业中广泛使用的工程机器人。 Roadheader的交互式动力学模拟是无人发掘和虚拟现实训练中的一个基本问题。但是，当前的研究仅基于传统的动画技术或商业游戏引擎。很少有研究将计算机图形的实时物理模拟应用于Roadheader机器人领域。本文旨在介绍一个基于物理的式型型式机器人的模拟系统。为此，提出了基于广义坐标的改进的多体模拟方法。首先，我们的仿真方法描述了基于广义坐标的机器人动力学。与最新方法相比，我们的方法更稳定和准确。数值仿真结果表明，在相同数量的迭代中，我们的方法的错误明显少于游戏引擎。其次，我们对动态迭代采用符号欧盟积分器，而不是传统的四阶runge-kutta（RK4）方法。与其他集成剂相比，在长期模拟过程中，我们的方法在能量漂移方面更加稳定。测试结果表明，我们的系统达到了每秒60帧（FPS）的实时交互性能。此外，我们提出了一种模型格式，用于实施该系统的路障机器人建模。我们的Roadheader的交互式模拟系统满足了交互，准确性和稳定性的要求。
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我们开发一种方法来构造来自表示基本上非线性（或不可连锁的）动态系统的数据集构成低维预测模型，其中具有由有限许多频率的外部强制进行外部矫正的双曲线线性部分。我们的数据驱动，稀疏，非线性模型获得为低维，吸引动力系统的光谱子纤维（SSM）的降低的动态的延长正常形式。我们说明了数据驱动的SSM降低了高维数值数据集的功率和涉及梁振荡，涡旋脱落和水箱中的晃动的实验测量。我们发现，在未加工的数据上培训的SSM减少也在额外的外部强制下准确预测非线性响应。
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在本章中，我们确定了基本的几何结构，这些几何结构是采样，优化，推理和自适应决策问题的基础。基于此识别，我们得出了利用这些几何结构来有效解决这些问题的算法。我们表明，在这些领域中自然出现了广泛的几何理论，范围从测量过程，信息差异，泊松几何和几何整合。具体而言，我们解释了（i）如何利用汉密尔顿系统的符合性几何形状，使我们能够构建（加速）采样和优化方法，（ii）希尔伯特亚空间和Stein操作员的理论提供了一种通用方法来获得可靠的估计器，（iii）（iii）（iii）保留决策的信息几何形状会产生执行主动推理的自适应剂。在整个过程中，我们强调了这些领域之间的丰富联系。例如，推论借鉴了抽样和优化，并且自适应决策通过推断其反事实后果来评估决策。我们的博览会提供了基本思想的概念概述，而不是技术讨论，可以在本文中的参考文献中找到。
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近二十年来，软机器人技术一直是机器人社区中的一个热门话题。但是，对于软机器人进行建模和分析的可用工具仍然有限。本文介绍了一个用户友好的MATLAB工具箱Soft Robot Simulator（Sorosim），该工具集合了Cosserat杆的几何变量应变（GVS）模型，以促进对软，刚性或混合机器人系统的静态和动力分析。我们简要概述了工具箱的设计和结构，并通过将其结果与文献中发布的结果进行比较。为了突出该工具箱有效建模，模拟，优化和控制各种机器人系统的潜力，我们演示了四个示例应用程序。所示的应用探索了单，分支，开放式和闭合链机器人系统的不同执行器和外部加载条件。我们认为，软机器人研究社区将从Sorosim工具箱中大大受益，用于多种应用。
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In my previous article I mentioned for the first time that a classical neural network may have quantum properties as its own structure may be entangled. The question one may ask now is whether such a quantum property can be used to entangle other systems? The answer should be yes, as shown in what follows.
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串联连接的机器人是希望在大规模灾害中的搜索和救援等限制空间中执行任务的候选人。这种机器人通常是韧带，我们假设肢体的添加可以改善移动性。然而，在设计和控制这种装置方面的挑战在于以提高移动性的方式协调高维冗余模块。在这里，我们开发了一个控制串联连接的多腿机器人的一般框架。具体地，我们结合了两种方法来构建一般的形状控制方案，其可以为各种机器人形态的有效运动提供自变形（“Gaits”）的基线模式。首先，我们从维度降低和生物步态分类方案中获取灵感，以产生身体变形和脚提升/降低的循环模式，其促进了任意基板接触图案的产生。其次，我们使用几何力学方法来促进识别这些起伏的最佳相位，以最大化速度和/或稳定性。我们的方案允许在扁平摩擦地形上的多腿机器人机车上的有效Gaits开发有多种数量的四肢（4,6,16，甚至0四肢）和身体致动能力（包括在Limbless设备上的侧壁Gaits）。通过适当协调身体波动和腿部放置，我们的框架结合了Limbless机器人（模块化）和腿机器人（移动性）的优势。我们预计我们的框架可以提供一般的控制方案，以便快速部署一般的多腿机器人，铺平往达在现实条件下遍历复杂环境的机器的方式。
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虽然在各种应用中广泛使用刚性机器人，但它们在他们可以执行的任务中受到限制，并且在密切的人机交互中可以保持不安全。另一方面，软机器鞋面超越了刚性机器人的能力，例如与工作环境，自由度，自由度，制造成本和与环境安全互动的兼容性。本文研究了纤维增强弹性机壳（释放）作为一种特定类型的软气动致动器的行为，可用于软装饰器。创建动态集参数模型以在各种操作条件下模拟单一免费的运动，并通知控制器的设计。所提出的PID控制器使用旋转角度来控制多项式函数之后的自由到限定的步进输入或轨迹的响应来控制末端执行器的方向。另外，采用有限元分析方法，包括释放的固有非线性材料特性，精确地评估释放的各种参数和配置。该工具还用于确定模块中多个释放的工作空间，这基本上是软机械臂的构建块。
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机器学习中的许多新的发展都与基于梯度的优化方法相连。最近，已经使用变分透视研究了这些方法。这已经开辟了使用几何集成引入变分和辛方法的可能性。特别是，在本文中，我们引入了变分集成商，使我们能够导出不同的优化方法。使用汉密尔顿和拉格朗日 - 德尔尔堡的原则，我们在一对一的对应中获得了两个各自的优化方法的一个家庭，即概括Polyak的厚球和众所周知的Nesterov加速梯度方法，其中第二个是模仿行为的第二个对应首先减少经典动量方法的振荡。然而，由于考虑的系统是明确时间依赖的，因此自主系统的杂交的保存仅在这里发生在纤维上。几个实验举例说明结果。
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我们使用改进的最小路径Eikonal方程向3D图像引入一种新的对象分割方法。该方法利用隐式约束 - 对eikonal的非均匀最小路径的二阶校正 - 防止相邻的最小路径轨迹无法控制地分歧。所提出的修改大大减少了通过最小路径揭示的表面积，允许使用计算的最小路径设置为近似表面的参数线。它还具有与也推导出真正的最小表面eikonal方程的松散连接。
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我们提供了概率分布的Riemannian歧管上的经典力学的信息几何公式，该分布是具有双翼连接的仿射歧管。在非参数形式主义中，我们考虑了有限的样本空间上的全套正概率函数，并以统计歧管上的切线和cotangent空间为特定的表达式提供了一种，就希尔伯特束结构而言，我们称之统计捆绑包。在这种情况下，我们使用规范双对的平行传输来计算一维统计模型的速度和加速度，并在束上定义了Lagrangian和Hamiltonian力学的连贯形式主义。最后，在一系列示例中，我们展示了我们的形式主义如何为概率单纯性加速自然梯度动力学提供一个一致的框架，为在优化，游戏理论和神经网络中的直接应用铺平了道路。
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