Theoretical Model Construction of Deformation-Force for Soft Grippers Part I: Co-rotational Modeling and Force Control for Design Optimization

要約

適応性と安全性により、準拠したグリッパーは、産業または物流シナリオなどの実際のアプリケーションでの構造化されていない把持に対してかなりの注目を集めています。
ただし、Fin-Ray グリッパーなどのグリッパーの形状変形と接触力の間の双方向の関係を表す数学的モデルの正確な構築は、今日まで停滞したままです。
この研究のギャップに対処するために、この記事では、共回転の概念に基づいてコンプライアント グリッパーの普遍的な双方向力変位数学モデルを考案、提示、および実験的に検証します。
設計の最適化。
この記事の第 1 部では、ビーム要素の任意の大変形をモデル化できる共回転アプローチの基本理論を紹介します。
その本質的な原理により、理論モデリングでは、ほとんど仮定をせずに、さまざまなタイプの構成と主要な設計パラメーターを考慮することができます。
さらに、力制御アルゴリズムが提案され、わずかな計算負荷で外力下でのグリッパーの正確な変位推定を提供します。
提案された方法の性能は、グリッパーの性能に対する 4 つの主要な設計パラメータの影響が調査される有限要素解析との比較を通じて実験的に検証され、体系的な設計の最適化が促進されます。
この記事のパート 2 は、力センシング機能と、代表的な共回転モデリング パラメーターがモデルの精度に及ぼす影響を示すもので、Google ドライブで公開されています。

要約(オリジナル)

Compliant grippers, owing to adaptivity and safety, have attracted considerable attention for unstructured grasping in real applications, such as industrial or logistic scenarios. However, accurate construction of the mathematical model depicting the bidirectional relationship between shape deformation and contact force for such grippers, such as the Fin-Ray grippers, remains stagnant to date. To address this research gap, this article devises, presents, and experimentally validates a universal bidirectional force-displacement mathematical model for compliant grippers based on the co-rotational concept, which endows such grippers with an intrinsic force sensing capability and offers a better insight into the design optimization. In Part 1 of the article, we introduce the fundamental theory of the co-rotational approach, where arbitrary large deformation of beam elements can be modeled. Its intrinsic principle enables the theoretical modeling to consider various types of configurations and key design parameters with very few assumptions made. Further, a force control algorithm is proposed, providing accurate displacement estimations of the gripper under external forces with minor computational loads. The performance of the proposed method is experimentally verified through comparison with Finite Element Analysis, where the influence of four key design parameters on the gripper s performance is investigated, facilitating systematical design optimization. Part 2 of this article demonstrating the force sensing capabilities and the effects of representative co-rotational modeling parameters on model accuracy is released in Google Drive.

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