مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدلسازی رفتار عملگرهای نرم خمشی نیوماتیکی در شرایط آزاد و تعامل با محیط

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر
چکیده
عملگرهای نرم خمشی نیوماتیکی به عنوان عملگر­هایی با ایمنی و قابلیت تطبیق­پذیری بالا، بسیار قابل توجه محققان قرار گرفته­اند، به‌ طوری که آن­ها را به گزینه­ای ایده­آل برای ساخت تجهیزاتی که تعامل بالایی با انسان­ها دارند تبدیل کردهاست. این ویژگی­های مثبت، مشکلاتی را نیز به همراه دارد. تطبیق­پذیری بالای ربات­های نرم به واسطه درجات آزادی زیاد آن­ها فراهم شده و بدین ترتیب مدل­سازی آن­ها را به چالشی جدی برای پژوهشگران تبدیل کردهاست. در این مقاله با به‌کارگیری روش اجزای صلب محدود، به مدل­سازی یک عملگر نرم خمشی با رشته­های تقویت­کننده که در تعامل با محیط قرار دارد، پرداخته شدهاست. استفاده از روش معرفی شده این امکان را فراهم آورده تا بتوان برای عملگرهای نرم پیوسته، روش­های مورد استفاده در مدل­سازی ربات­های صلب متداول مانند روش دناویت-هارتنبرگ را به کار گرفت. بنابراین در ادامه به کمک همین تئوری رفتار استاتیکی و دینامیکی عملگر نرم در حالت آزاد و در حضور نیروی خارجی تحلیل و بررسی شده و در نهایت با نتایج تجربی بدست آمده از یک عملگر ساخته شده، مقایسه شدهاست. نتایج بدست آمده نشان می­دهند که روش پیشنهادی در عین اینکه مدل ساده­ای را برای مقاصد بعدی مانند پیاده­سازی کنترلکننده ارائه می­کند، دارای خطای مدل‌سازی کمتر از 9 درصد می­باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Behavior modeling of pneumatic soft bending actuators in free and contact conditions

نویسندگان English

Sepideh Akbari
Mohammad Hadi Namdar Ghalati
Hamed Ghafarirad
Seyed Mehdi Rezaei
Mecahnical Engineering Department, Amirkabir University of Technoogy
چکیده English

Pneumatic Soft bending actuators as safe and highly adaptable robots are being considered by researchers, such that they become an ideal choice for making devices that interact more with humans. These advantages come along with several disadvantages. Their great adaptability is provided by their high degrees of freedom, and consequently, it makes the modeling a significant challenge for researchers. In this paper, the modeling of a soft fiber-reinforced bending actuator that is in contact with the environment has been conducted by utilizing the finite rigid element method. This method provides a context within which the modeling theories of traditional rigid robots, such as the Denavit-Hartenberg method, become usable for a soft continuum actuator. Therefore, in the following, resorting to this theory, the static and dynamic behavior of a soft actuator under the effect of the external load has been investigated and compared with the empirical results derived from a fabricated actuator. The results show a minimum accuracy of 9 percent, although being as simple as can be used for other purposes like implementing control systems based on that.

کلیدواژه‌ها English

Soft Robot
Soft Bending Actuator
Static and Dynamic Modeling
Contact Condition
Finite Rigid Element Method
1. Rus D, Tolley MT. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 2015;521(7553):467-75.
2. Laschi C, Rossiter J, Iida F, Cianchetti M, Margheri L. Soft Robotics: Trends, Applications and Challenges. Livorno, Italy. 2016.
3. Majidi C. Soft robotics: a perspective—current trends and prospects for the future. Soft Robotics. 2014;1(1):5-11.
4. Polygerinos P, Wang Z, Galloway KC, Wood RJ, Walsh CJ. Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation. Robotics and Autonomous Systems. 2015;73:135-43.
5. O'Neill CT, Phipps NS, Cappello L, Paganoni S, Walsh CJ, editors. A soft wearable robot for the shoulder: Design, characterization, and preliminary testing. 2017 International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR); 2017: IEEE.
6. Yap H, Ng H, Yeow C. Soft Printable Pneumatics for Wrist Rehabilitation. Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation II: Springer; 2017. p. 545-50.
7. Zhong G, Dou W, Zhang X, Yi H. Bending analysis and contact force modeling of soft pneumatic actuators with pleated structures. International Journal of Mechanical Sciences. 2021;193:106150.
8. Gupta U, Qin L, Wang Y, Godaba H, Zhu J. Soft robots based on dielectric elastomer actuators: a review. Smart Materials and Structures. 2019;28(10):103002.
9. Jolaei M, Hooshiar A, Dargahi J, Packirisamy M. Toward task autonomy in robotic cardiac ablation: Learning-based kinematic control of soft tendon-driven catheters. Soft Robotics. 2021;8(3):340-51.
10. Geer R, Li S, editors. Examining the Coiling Motion of Soft Actuators Reinforced with Tilted Helix Fibers. ASME 2018 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems; 2018: American Society of Mechanical Engineers Digital Collection.
11. Guan Q, Sun J, Liu Y, Wereley NM, Leng J. Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk. Soft Robotics. 2020.
12. Hao Y, Gong Z, Xie Z, Guan S, Yang X, Ren Z, et al., editors. Universal soft pneumatic robotic gripper with variable effective length. 2016 35th Chinese control conference (CCC); 2016: IEEE.
13. Polygerinos P, Lyne S, Wang Z, Nicolini LF, Mosadegh B, Whitesides GM, et al., editors. Towards a soft pneumatic glove for hand rehabilitation. 2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems; 2013: IEEE.
14. Polygerinos P, Wang Z, Overvelde JTB, Galloway KC, Wood RJ, Bertoldi K, et al. Modeling of Soft Fiber-Reinforced Bending Actuators. IEEE Transactions on Robotics. 2015;31(3):778-89.
15. Wang T, Zhang Y, Zhu Y, Zhu S. A computationally efficient dynamical model of fluidic soft actuators and its experimental verification. Mechatronics. 2019;58:1-8.
16. Namdar Ghalati MH, Ghafarirad H, Suratgar AA, Zareinejad M, Ahmadi-Pajouh MA. Static Modeling of Soft Reinforced Bending Actuator Considering External Force Constraints. Soft Robotics. 2021.
17. Renda F, Cacucciolo V, Dias J, Seneviratne L, editors. Discrete Cosserat approach for soft robot dynamics: A new piece-wise constant strain model with torsion and shears. 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS); 2016: IEEE.
18. Gharavi L, Zareinejad M, Ohadi A. Continuum analysis of a soft bending actuator dynamics. Mechatronics. 2022;83:102739.
19. Gharavi L, Zareinejad M, Ohadi A. Dynamic Finite-Element analysis of a soft bending actuator. Mechatronics. 2022;81:102690.
20. Zhao Q, Lai J, Huang K, Hu X, Chu HK. Shape estimation and control of a soft continuum robot under external payloads. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2021.
21. Aslinezhad M, Malekijavan A, Abbasi P. Adaptive neuro-fuzzy modeling of a soft finger-like actuator for cyber-physical industrial systems. The Journal of Supercomputing. 2021;77(3):2624-44.