Finite Element Modeling of Pneumatic Bending Actuators for Inflated-Beam Robots

要約

先端反転つるロボットなどの膨張ビームのソフト ロボットは、空気圧作動によってビームの一方の側を収縮させることで曲率を制御できます。
この研究では、曲げを特徴付けるための一般的な有限要素モデリング アプローチを開発します。
このモデルは 4 つの空気圧アクチュエータ タイプ (シリーズ、圧縮、埋め込み、布地空気圧人工筋肉) にわたって検証されており、他の設計にも拡張できます。
これらのアクチュエータは、形状ベースの収縮と材料ベースの収縮という 2 つの曲げ機構を採用しています。
このモデルは、座屈と異方性の複雑な非線形効果を考慮しています。
実験による検証には、アクチュエータ タイプごとに 3 つの動作圧力 (10、20、および 30 kPa) が含まれます。
形状ベースの収縮では、座屈パターンが形成されると大幅な変形 (精度 92.1%) が発生しますが、座屈中の応力特異点により、低圧力では精度がわずかに 80.7% に低下します。
材料ベースの収縮により、曲げ角度は小さくなりますが、精度は少なくとも 96.7% 維持されます。
http://www.vinerobots.org で入手可能なオープンソース モデルは、先端反転つるロボットなどの膨張ビーム ロボットの設計をサポートし、効果的な曲げと応力管理のための材料特性と応力分布に基づいて設計を最適化することで、無駄の削減に貢献します。

要約(オリジナル)

Inflated-beam soft robots, such as tip-everting vine robots, can control curvature by contracting one beam side via pneumatic actuation. This work develops a general finite element modeling approach to characterize their bending. The model is validated across four pneumatic actuator types (series, compression, embedded, and fabric pneumatic artificial muscles), and can be extended to other designs. These actuators employ two bending mechanisms: geometry-based contraction and material-based contraction. The model accounts for intricate nonlinear effects of buckling and anisotropy. Experimental validation includes three working pressures (10, 20, and 30 kPa) for each actuator type. Geometry-based contraction yields significant deformation (92.1% accuracy) once the buckling pattern forms, reducing slightly to 80.7% accuracy at lower pressures due to stress singularities during buckling. Material-based contraction achieves smaller bending angles but remains at least 96.7% accurate. The open source models available at http://www.vinerobots.org support designing inflated-beam robots like tip-everting vine robots, contributing to waste reduction by optimizing designs based on material properties and stress distribution for effective bending and stress management.

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