مدل‌سازی سینماتیکی ربات نرم فضایی به روش تحلیلی بهبودیافته مبتنی بر ربات‌های سری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 پژوهشکده فناوری‌های نو، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله مدل‌سازی سینماتیکی یک ربات نرم نیوماتیکی، شامل ترکیب موازی سه عملگر نرم، با قابلیت موقعیت‌دهی فضایی مورد بررسی قرار‌ گرفته است. روش پیشنهادی بررسی سینماتیک ربات در این پژوهش، برخلاف مدل‌های پیشین، با فیزیک ربات نرم همخوانی داشته و ایده‌ی اصلی آن، مدل‌کردن شکل و حرکت ربات نرم با ربات‌های صلب سری است که شکل و حرکت مشابهی ایجاد نماید. مدل سینماتیکی ارائه‌شده شامل حالات مستقیم و معکوس بوده و از روش‌های دقیق هندسی بهره می‌برد. همچنین، ژاکوبین‌ سرعت مجری نهایی ربات نرم با دو روش‌ مختلف، مبتنی بر اصول ربات‌های سری، استخراج گردیده است. در ادامه، فضای‌کاری ربات با توجه به قیود سینماتیکی، مشخص و شکل ربات در آن فضا تعیین گردید. صحه‌گذاری مدل‌سازی جدید ارائه شده، توسط شبیه‌سازی المان محدود و همچنین آزمایش‌های تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیه‌سازی المان محدود نشان‌دهنده‌ی حداکثر 6/1 درصد خطا برای مدل سینماتیک معکوس پیشنهادشده می‌باشد. همچنین نتایج آزمایش تجربی، بیانگر حداکثر 13 درصد خطا -با توجه به خطاهای ناشی از ساخت و تاثیرات جاذبه- برای مدل سینماتیک مستقیم است. نتایج حاصل نشان می‌دهد مدل جدید ارائه شده با توجه به ساده‌سازی ساختاری بر مبنای ربات های سری، دارای دقت مناسب برای استفاده در مدل‌سازی حرکتی و در ادامه کنترل ربات را خواهد داشت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Kinematic Modeling of a Spatial Soft Robot by an Improved Analytical Method Based on Serial Robots

نویسندگان [English]

  • Sepideh Akbari 1
  • Hamed Ghafarirad 1
  • mohammad zaraee nejad 2
1 Mechanical Engineering Department Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic)
2 New Technologies Research Center, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic)
چکیده [English]

In this paper, kinematic modeling of a soft pneumatic robot, including a combination of 3 soft actuators, with the capability of spatial positioning is presented. The proposed kinematic model in this research, unlike former methods, corresponds to the physics of robot and the main idea is modeling its configuration and movement by serial rigid robots which generate the same configuration and movement. The given kinematic model consists of forward and inverse problems and uses accurate geometrical solutions. In addition, the velocity Jacobian of soft robot has been determined by two different approaches based on rigid serial robot principles. Furthermore, the robot workspace and its configurations have been determined by considering the kinematic constraints. Modeling accuracy has been evaluated by finite element simulation and also experiments. Simulation results show the maximum error of 1.6% for the inverse kinematic model and the maximum error of forward kinematic model has been 13% in experiments due to manufacturing errors and gravity effects. These results demonstrate that the proposed model has proper accuracy for motion modeling and its control in future works.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soft pneumatic actuator
  • Kinematic modeling
  • constant curvature
  • celocity kinematics
  • workspace

مراجع

[1] D. Rus, M.T. Tolley, Design, fabrication and control of soft robots, Nature, 521(7553) (2015) 467-475.
 [2] D. Trivedi, C.D. Rahn, W.M. Kier, I.D. Walker, Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research, Applied bionics and biomechanics, 5(3) (2008) 99-117.
 [3] F. Connolly, C.J. Walsh, K. Bertoldi, Automatic design of fiber-reinforced soft actuators for trajectory matching, Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(1) (2017) 51-56.
 [4] K.C. Galloway, P. Polygerinos, C.J. Walsh, R.J. Wood, Mechanically programmable bend radius for fiber-reinforced soft actuators, in:  2013 16th International Conference on Advanced Robotics (ICAR), IEEE, 2013, pp. 1-6.
 [5] P. Polygerinos, Z. Wang, J.T. Overvelde, K.C. Galloway, R.J. Wood, K. Bertoldi, C.J. Walsh, Modeling of soft fiber-reinforced bending actuators, IEEE Transactions on Robotics, 31(3) (2015) 778-789.
 [6] J. Zhang, H. Wang, J. Tang, H. Guo, J. Hong, Modeling and design of a soft pneumatic finger for hand rehabilitation, in:  2015 IEEE International Conference on Information and Automation, IEEE, 2015, pp. 2460-2465.
 
[7] V. Falkenhahn, A. Hildebrandt, R. Neumann, O. Sawodny, Dynamic control of the bionic handling assistant, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 22(1) (2016) 6-17.
 
[8] A. Melingui, J.J.-B.M. Ahanda, O. Lakhal, J.B. Mbede, R. Merzouki, Adaptive algorithms for performance improvement of a class of continuum manipulators, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, 48(9) (2017) 1531-1541.
 [9] W. Felt, Sensing Methods for Soft Robotics, PH.D. Thesis, University of Michigan, 2017.
 [10] B.A. Jones, I.D. Walker, Kinematics for multisection continuum robots, IEEE Transactions on Robotics, 22(1) (2006) 43-55.
[11] R.J. Webster III, B.A. Jones, Design and kinematic modeling of constant curvature continuum robots: A review, The International Journal of Robotics Research, 29(13) (2010) 1661-1683.
 [12] C. Escande, T. Chettibi, R. Merzouki, V. Coelen, P.M. Pathak, Kinematic calibration of a multisection bionic manipulator, IEEE/ASME transactions on mechatronics, 20(2) (2014) 663-674.
 [13] C. Escande, P.M. Pathak, R. Merzouki, V. Coelen, Modelling of multisection bionic manipulator: Application to robotinoxt, in:  2011 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, IEEE, 2011, pp. 92-97.
[14] M. Rolf, J.J. Steil, Constant curvature continuum kinematics as fast approximate model for the Bionic Handling Assistant, in:  2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, 2012, pp. 3440-3446.
 [15] I.S. Godage, D.T. Branson, E. Guglielmino, G.A. Medrano-Cerda, D.G. Caldwell, Shape function-based kinematics and dynamics for variable length continuum robotic arms, in:  2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation, IEEE, 2011, pp. 452-457.
 [16] I.S. Godage, E. Guglielmino, D.T. Branson, G.A. Medrano-Cerda, D.G. Caldwell, Novel modal approach for kinematics of multisection continuum arms, in:  2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, 2011, pp. 1093-1098.
 [17] T. Mahl, A. Hildebrandt, O. Sawodny, A variable curvature continuum kinematics for kinematic control of the bionic handling assistant, IEEE transactions on robotics, 30(4) (2014) 935-949.
[18] W. Felt, M.J. Telleria, T.F. Allen, G. Hein, J.B. Pompa, K. Albert, C.D. Remy, An inductance-based sensing system for bellows-driven continuum joints in soft robots, Autonomous robots, 43(2) (2019) 435-448.
[19] Z. Gong, J. Cheng, X. Chen, W. Sun, X. Fang, K. Hu, Z. Xie, T. Wang, L. Wen, A Bio-inspired Soft Robotic Arm: Kinematic Modeling and Hydrodynamic Experiments, Journal of Bionic Engineering, 15(2) (2018) 204-219.
[20] A. Chawla, C. Frazelle, I. Walker, A Comparison of Constant Curvature Forward Kinematics for Multisection Continuum Manipulators, in:  2018 Second IEEE International Conference on Robotic Computing (IRC), IEEE, 2018, pp. 217-223.
 [21] S. Neppalli, M.A. Csencsits, B.A. Jones, I.D. Walker, Closed-form inverse kinematics for continuum manipulators, Advanced Robotics, 23(15) (2009) 2077-2091.
 [22] O. Lakhal, A. Melingui, A. Chibani, C. Escande, R. Merzouki, Inverse kinematic modeling of a class of continuum bionic handling arm, in:  2014 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, IEEE, 2014, pp. 1337-1342.
 [23] O. Lakhal, A. Melingui, R. Merzouki, Hybrid approach for modeling and solving of kinematics of a compact bionic handling assistant manipulator, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 21(3) (2015) 1326-1335.
[24] A. Amouri, C. Mahfoudi, A. Zaatri, O. Lakhal, R. Merzouki, A metaheuristic approach to solve inverse kinematics of continuum manipulators, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 231(5) (2017) 380-394.
 [25] Z. Gong, J. Cheng, K. Hu, T. Wang, L. Wen, An inverse kinematics method of a soft robotic arm with three-dimensional locomotion for underwater manipulation, in:  2018 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), IEEE, 2018, pp. 516-521.
 [26] C. Della Santina, R.K. Katzschmann, A. Biechi, D. Rus, Dynamic control of soft robots interacting with the environment, in:  2018 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), IEEE, 2018, pp. 46-53.
 [27] S. Akbari, Kinematic Modeling of a Spatial Soft Robot by an Improved Analytical Method Based on Serial Robots, B. Sc. Project, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), 2019. (in Persian)
 
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 2 (Special Issue)
اردیبهشت 1400
صفحه 1065-1080

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار