Geometric Static Modeling Framework for Piecewise-Continuous Curved-Link Multi Point-of-Contact Tensegrity Robots

要約

テンセグリティーは、引張 (ケーブル) 要素と剛性 (リンク) 要素を相乗的に組み合わせて構造の完全性を実現し、軽量で収納可能、耐衝撃性を実現します。
その結果、構造化されていない環境でも移動できる可能性が高くなります。
この研究では、12 本のプレストレスト ケーブルによって保持され、各リンクに沿って移動する内部質量によって作動する 2 つの半円形の湾曲したリンクで構成される Tensegrity eXploratory Robot (TeXploR) の幾何学的モデリングを紹介します。
この設計により、安定性を備えた効率的な回転が可能になります (例: 斜面での転倒)。
ただし、半円形の湾曲したリンクの不連続な性質、表面との 2 つの変化する接触点、およびリンクに沿った質量の瞬間的な動きを考慮すると、この独特の設計は静的および動的モデリングの課題を引き起こします。
ロボットは幾何学的アプローチを使用してモデル化されており、ホロノミック制約によって実験的に観察された 4 状態ハイブリッド システムが確認され、TeXploR が 1 つのリンクに沿って回転しながら、もう 1 つのリンクの端を中心に旋回することが証明されています。
また、内部質量シフトによるロボット状態の連続変化を可能にする準静的な状態遷移境界も特定します。
非球形の 2 点接触システムが運動学的および幾何学的にモデル化された文献はこれが初めてです。
さらに、静的解は閉じた形式であり、解の数値探索を必要としません。
MATLAB シミュレーションは、平均絶対誤差 4.36{\deg} のテザーレス プロトタイプで実験的に検証されています。

要約(オリジナル)

Tensegrities synergistically combine tensile (cable) and rigid (link) elements to achieve structural integrity, making them lightweight, packable, and impact resistant. Consequently, they have high potential for locomotion in unstructured environments. This research presents geometric modeling of a Tensegrity eXploratory Robot (TeXploR) comprised of two semi-circular, curved links held together by 12 prestressed cables and actuated with an internal mass shifting along each link. This design allows for efficient rolling with stability (e.g., tip-over on an incline). However, the unique design poses static and dynamic modeling challenges given the discontinuous nature of the semi-circular, curved links, two changing points of contact with the surface plane, and instantaneous movement of the masses along the links. The robot is modeled using a geometric approach where the holonomic constraints confirm the experimentally observed four-state hybrid system, proving TeXploR rolls along one link while pivoting about the end of the other. It also identifies the quasi-static state transition boundaries that enable a continuous change in the robot states via internal mass shifting. This is the first time in literature a non-spherical two-point contact system is kinematically and geometrically modeled. Furthermore, the static solutions are closed-form and do not require numerical exploration of the solution. The MATLAB simulations are experimentally validated on a tetherless prototype with mean absolute error of 4.36{\deg}.

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