رفتارشناسی حرکتی محرک‌های نرم بادی تقویت شده با الیاف بر اساس زاویه‏ی پیچش الیاف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تربیت مدرس

2 عضو هیئت علمی دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

محرک‌های الاستومری تقویت شده با الیاف با کمک نیروی سیال تحریک می‏شوند و با توجه به زاویه‏ی پیچش الیاف به دور بدنه حرکت‏های متفاوتی از خود نشان می‏دهند. افزایش توجه روزافزون به ربات‏های نرم در کاربردهای مختلف، علت مطالعه روی رفتار این گونه محرک‌ها‏ را به خوبی توجیه می‏کند. ‏پژوهش پیش‏ رو به ‏بررسی تأثیر زاویه‏ی پیچش الیاف بر رفتار حرکتی محرک نرم الاستومری تقویت‏شده با الیاف با دو مقطع دایره و نیم‌دایره می‌پردازد. نتایج شبیه‏سازی نشان داد که زاویه‏ی تغییر فاز در محرک‏‏‏ خطی سیلیکونی 54/2 درجه و در محرک سیلیکونی خطی-پیچشی 30 درجه است. این نتایج همچنین نشان داد که در محرک‌های خمشی نیم‏استوانه‏ای بیشینه خمش در زاویه‏ی پیچش الیاف 90 درجه اتفاق می‏افتد. ارزیابی‏های تجربی جهت کسب اطمینان از نتایج شبیه‏سازی صورت گرفت. به این منظور محرک‌های خطی با چهار زاویه‏ی پیچش الیاف 30، 54/2، 54/3، 75 و 85 درجه، محرک‌های خطی-پیچشی با زوایای پیچش الیاف 30، 55، 65 و 85 درجه پادساعت‌گرد و 45 درجه ساعت‌گرد و محرک‏ خمشی با زاویه‏ پیچش الیاف 88 درجه ساخته شد و رفتار آن‏ها پس از تحریک ارزیابی شد. نتایج تجربی با حداکثر خطای 14 درصد درستی نتایج شبیه‏سازی را تائید کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Study of the Motion Behavior of Soft Fiber Reinforced Actuators Based on Fiber Angle

نویسندگان [English]

  • Ashkan Fathian 1
  • Golbarg Nikaeen 1
  • Anis Darmohammadi 1
  • Hossein Mirzanejad 1
  • Mohammad Mahdi Agheli Hajiabadi 2
1 Tarbiat Modares University
2 Faculty, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

The increasing tendency to soft robots in various applications justifies the reason for studying the behavior of such actuators. The present study investigates the effect of fiber angle on the motion behavior of elastomeric fiber-reinforced actuators with two circular and semicircular sections. Unlike previous researches, this study takes into account the elastomer material used in actuator construction. Furthermore, unlike previous researches in which phase angle variation was studied just in linear actuators, phase angle variation in linear-twisting actuators is also considered. The simulation results showed that the phase change angle is 54.2° in silicone linear actuator and 30° in linear-twisting silicon actuator. The results also showed that the maximum bending in the semi-cylindrical bending actuators occurs at a 90-degree angle of twisting fibers. To verify this behavior, experiments were done. Silicone linear actuators were made with four different fiber angles including 30, 54.2, 54.3, 75, and 85 degrees. Moreover, Linear-twisting actuators were made with two different fiber angles including 30, 55, 65, and 85 degrees clockwise and 45 degrees counterclockwise. At last, one bending actuator with fibers at the angle of 88 degrees was made. All these actuators were evaluated after actuation. The experimental results confirmed the simulation results with a maximum calculated error of 14%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soft Robot
  • Soft Actuator
  • Soft fiber-reinforced actuator
[1] R.H. Gaylord, Fluid actuated motor system and stroking device, in, Google Patents, 1958.
[2] C.-P. Chou, B. Hannaford, Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles, IEEE Transactions on robotics and automation, 12(1) (1996) 90-102.
[3] H. Al-Fahaam, S. Davis, S. Nefti-Meziani, Wrist rehabilitation exoskeleton robot based on pneumatic soft actuators, in:  2016 International Conference for Students on Applied Engineering (ICSAE), IEEE, 2016, pp. 491-496.
[4] B.-S. Kang, C.S. Kothera, B.K. Woods, N.M. Wereley, Dynamic modeling of Mckibben pneumatic artificial muscles for antagonistic actuation, in:  Robotics and Automation, 2009. ICRA'09. IEEE International Conference on, IEEE, 2009, pp. 182-187.
[5] L.D. Peel, D. Jensen, Fabrication and mechanics of fiber-reinforced elastomers, Brigham Young University. Department of Mechanical Engineering, 1998.
[6] F. Connolly, P. Polygerinos, C.J. Walsh, K. Bertoldi, Mechanical programming of soft actuators by varying fiber angle, Soft Robotics, 2(1) (2015) 26-32.
[7] B. Tondu, P. Lopez, Modeling and control of McKibben artificial muscle robot actuators, IEEE control systems, 20(2) (2000) 15-38.
[8] J. Bishop-Moser, G. Krishnan, C. Kim, S. Kota, Design of soft robotic actuators using fluid-filled fiber-reinforced elastomeric enclosures in parallel combinations, in:  Intelligent Robots and Systems (IROS), 2012 IEEE/RSJ International Conference on, IEEE, 2012, pp. 4264-4269.
[9] K.C. Galloway, P. Polygerinos, C.J. Walsh, R.J. Wood, Mechanically programmable bend radius for fiber-reinforced soft actuators, in:  Advanced Robotics (ICAR), 2013 16th International Conference on, IEEE, 2013, pp. 1-6.
[10] 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.
[11] P. Polygerinos, Z. Wang, K.C. Galloway, R.J. Wood, C.J. Walsh, Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation, Robotics and Autonomous Systems, 73 (2015) 135-143.