Cosserat Rod Modeling and Validation for a Soft Continuum Robot with Self-Controllable Variable Curvature

要約

この論文では、自己制御可能な可変曲率ソフト連続ロボットをモデル化するための Cosserat ロッドベースの数学モデルを紹介します。
この柔らかい連続ロボットは中空の内部チャネルを持ち、成長する脊椎を利用して可変の曲率を実行できるように開発されました。
成長中の脊椎は、ミリサイズの粒子 (ガラスの泡) の粒状の詰まりによって剛性を変化させながら、成長したり収縮したりすることができます。
このソフト連続ロボットは、曲率の変化が離散的でロック機構の数や手動構成に依存する以前のアプローチとは異なり、連続的な曲率の変化を実行できます。
このロボットは、脊椎の成長に伴い剛性が変化するため、モデリングに新たな問題を引き起こしますが、これについてはこの論文で取り上げます。
私たちは、成長する脊椎の剛性の特性を調査し、剛性を組み合わせたアプローチを実装することで、それをコセラット ロッド モデルに組み込みます。
私たちは、さまざまな構成のソフト連続体ロボットを使用して実験を行い、その結果を開発した数学モデルと比較しました。
結果は、適応されたコセラットロッドに基づく数学的モデルが、軟連続体ロボットの長さに関してわずか 3.3% の誤差で実験結果と一致することを示しています。

要約(オリジナル)

This paper introduces a Cosserat rod based mathematical model for modeling a self-controllable variable curvature soft continuum robot. This soft continuum robot has a hollow inner channel and was developed with the ability to perform variable curvature utilizing a growing spine. The growing spine is able to grow and retract while modifies its stiffness through milli-size particle (glass bubble) granular jamming. This soft continuum robot can then perform continuous curvature variation, unlike previous approaches whose curvature variation is discrete and depends on the number of locking mechanisms or manual configurations. The robot poses an emergent modeling problem due to the variable stiffness growing spine which is addressed in this paper. We investigate the property of growing spine stiffness and incorporate it into the Cosserat rod model by implementing a combined stiffness approach. We conduct experiments with the soft continuum robot in various configurations and compared the results with our developed mathematical model. The results show that the mathematical model based on the adapted Cosserat rod matches the experimental results with only a 3.3\% error with respect to the length of the soft continuum robot.

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