소프트 로보틱스 분야에서 학습 기반 제어의 발전은 연산 속도와 물리적 충실도 사이의 임계적 괴리인 시뮬레이션과 현실 사이의 격차에 의해 근본적으로 제약받고 있다. 본 학위논문은 기...

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소프트 로보틱스 분야에서 학습 기반 제어의 발전은 연산 속도와 물리적 충실도 사이의 임계적 괴리인 시뮬레이션과 현실 사이의 격차에 의해 근본적으로 제약받고 있다. 본 학위논문은 기...
소프트 로보틱스 분야에서 학습 기반 제어의 발전은 연산 속도와 물리적 충실도 사이의 임계적 괴리인 시뮬레이션과 현실 사이의 격차에 의해 근본적으로 제약받고 있다. 본 학위논문은 기존 모델링 패러다임을 엄밀히 분석하여 이 격차를 수학적으로 정의하고, 데이터 기반 추상화의 당위성을 입증한다.
본 연구는 해석적 근사가 외력 하의 필수적인 비선형 거동을 포착하지 못하는 반면, 유한요소법과 같은 수치 해석법은 복잡도가 세제곱으로 증가하여 강화 학습에 요구되는 대규모 데이터 처리가 불가능하다는 점을 밝힌다. 이러한 불일치를 해결하기 위해, 본 논문은 물리적 참값 생성 과정과 런타임 실행을 분리하는 통합 파이프라인을 제안한다.
일련의 연구를 통해 다음 두 가지 핵심 추상화 전략에 대한 이론적 토대를 확립하였다. 첫째, 대체 모델링 (Surrogate modeling)을 통한 모델 차수 축소를 통해 거시적 물체 역학을 고속 강체 호환 형식으로 압축한다. 둘째로 신경망 접촉 모델(neural contact models)을 이용하여 데이터 기반 접촉 모델 근사를 활용하여 접촉 계면의 복잡하고 고차원적인 역학을 포착한다.
이 방법론은 강건한 시뮬레이션 전이학습에 필수적인 연속체 물리학적 특성을 유지하면서도 강체 엔진 수준의 연산 효율성을 달성하여 현실 격차를 해소하는 것을 목표로 한다. 궁극적으로 본 연구는 고차원 유한요소 데이터를 저차원의 필수정보로 추상화하는 일반화된 파이프라인을 제시하며, 이를 로봇 공학 내 변형이 수반되는 주요 시스템에 적용함으로써 확장 가능하고 물리적으로 충실한 학습을 구현한다.
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
The advancement of learning-based control in soft robotics is fundamentally constrained by the simulation to real gap, a critical divergence between computational speed and physical fidelity. This thesis provides a rigorous analysis of existing modeli...
The advancement of learning-based control in soft robotics is fundamentally constrained by the simulation to real gap, a critical divergence between computational speed and physical fidelity. This thesis provides a rigorous analysis of existing modeling paradigms to define this gap mathematically and justify the necessity for Data-Driven Abstraction. We demonstrate that analytical approximations fail to capture essential non-linear behaviors under external loads, while ground-truth numerical methods, like the finite element method, scale with cubic complexity, rendering them intractable for the massive data throughput required by reinforcement learning. To resolve this discrepancy, this dissertation proposes a unified pipeline that decouples physical ground-truth generation from runtime execution. A series of research studies established the theoretical foundations for two targeted abstraction strategies: (1) Surrogate modeling via model order reduction to compress macroscopic body dynamics into fast, rigid-body-compatible formats, and (2) Neural contact models utilizing data-driven contact model approximations to capture the complex, high-dimensional mechanics of the contact interface. This methodology aims to bridge the reality gap by achieving the computational efficiency of rigid-body engines without sacrificing the continuum physics essential for robust sim-to-real transfer. Ultimately, this work contributes a generalizable pipeline to abstract high-dimensional Finite Element data into low-dimensional but essential features, applying this strategy to the two major domains of deformation-incurring systems in robotics to enable scalable and physically faithful learning.
목차 (Table of Contents)