Stiffness Change for Reconfiguration of Inflated Beam Robots

要約

ソフトロボットの形状を能動的に制御するのは困難です。
無限の数の受動的自由度 (DOF) があるにもかかわらず、ソフト ロボットは通常、作動度 (DOA) の数によって制限される、能動的に制御可能な DOF を数個しか持ちません。
アクチュエータの複雑さにより、ソフト ロボットに組み込むことができる DOA の数が制限されます。
アクティブな形状制御は、圧縮力下でのソフトロボットの座屈によってさらに複雑になります。
これは、アスペクト比が長いため、準拠した連続体ロボットにとっては特に困難です。
この研究では、これらの課題に対処し、可変剛性によってソフト ロボットの形状制御がどのように可能になるかを示します。
コンプライアントな連続体ロボットに沿ってセクションの剛性を動的に変更すると、個別のジョイントを選択的に「アクティブ化」できます。
どのジョイントをアクティブにするかを変更することで、単一のアクチュエータの出力を再構成して、多くの異なるジョイントをアクティブに制御できるため、制御可能な DOF の数が DOA の数から切り離されます。
我々は、膨張したビームロボットの剛性変更のための簡単な方法として埋め込まれた正圧層ジャミング、成長ロボットとの互換性、および「活性化」技術としてのその使用を実証します。
私たちは、成長する膨張ビームロボットの剛性変化を実験的に特徴付け、ロボットの設計と製造のガイドとして機能する有限要素モデルを提示します。
私たちは、マルチセグメントの反転膨張ビームロボットを作製し、剛性の変化が先端の反転による成長とどのように両立し、作業スペースの拡大を可能にし、剛性化なしでは不可能な新しい作動パターンを達成するかを実証します。

要約(オリジナル)

Active control of the shape of soft robots is challenging. Despite having an infinite number of passive degrees of freedom (DOFs), soft robots typically only have a few actively controllable DOFs, limited by the number of degrees of actuation (DOAs). The complexity of actuators restricts the number of DOAs that can be incorporated into soft robots. Active shape control is further complicated by the buckling of soft robots under compressive forces; this is particularly challenging for compliant continuum robots due to their long aspect ratios. In this work, we show how variable stiffness can enable shape control of soft robots by addressing these challenges. Dynamically changing the stiffness of sections along a compliant continuum robot can selectively ‘activate’ discrete joints. By changing which joints are activated, the output of a single actuator can be reconfigured to actively control many different joints, thus decoupling the number of controllable DOFs from the number of DOAs. We demonstrate embedded positive pressure layer jamming as a simple method for stiffness change in inflated beam robots, its compatibility with growing robots, and its use as an ‘activating’ technology. We experimentally characterize the stiffness change in a growing inflated beam robot and present finite element models which serve as guides for robot design and fabrication. We fabricate a multi-segment everting inflated beam robot and demonstrate how stiffness change is compatible with growth through tip eversion, enables an increase in workspace, and achieves new actuation patterns not possible without stiffening.

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