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

要約

適合性グリッパーは、適応性と安全性により、産業や物流シナリオなどの実際の用途における非構造的な把握において大きな注目を集めています。
しかし、フィンレイグリッパーを例に挙げると、そのようなグリッパーの形状変形と接触力の間の双方向の関係を正確にモデル化することは、今日まで停滞したままです。
この研究ギャップに対処するために、この記事では、共回転概念に基づいた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、実験的に検証します。これは、そのようなグリッパーに固有の力感知能力を与え、
設計の最適化。
この記事のパート I では、ビーム要素の任意の大きな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。
その固有の原理により、さまざまな剛性を持つ材料、さまざまな接続タイプ、主要な設計パラメータをほとんど仮定せずに考慮することができます。
さらに、力と変位の関係は数値的に導出され、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値が得られます。
提案手法の性能は、シミュレーションにおける有限要素解析 (FEA) との比較を通じて実験的に検証され、かなりの精度 (6%) が得られ、Fin-Ray グリッパの設計最適化が系統的に検討されます。
力感知機能と、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この記事のパート II は、Arxiv でリリースされています。

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, accurately modeling the bidirectional relationship between shape deformation and contact force for such grippers, the Fin-Ray grippers as an example, 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 I 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 allows taking materials with varying stiffness, various connection types, and key design parameters into consideration with few assumptions. Further, the force-displacement relationship is numerically derived, 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 (FEA) in simulation, obtaining a fair degree of accuracy (6%), and design optimization of Fin-Ray grippers is systematically investigated. Part II of this article demonstrating the force sensing capabilities and the effects of representative co-rotational modeling parameters on model accuracy is released in Arxiv.

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