Real-time Dynamics of Soft Manipulators with Cross-section Inflation: Application to the Octopus Muscular Hydrostat

要約

タコのような生物の具現化された知性からインスピレーションを得たこの柔らかいロボット アームは、その非常に柔軟な構造を利用して、複雑な環境でさまざまなタスクを実行します。
古典的なコセラットのロッド理論では、ソフト アームの曲げ、ねじり、せん断、および伸張を研究していますが、特定の作業、特に横方向の牽引を伴う作業中に発生する面内変形を捉えることができません。
この論文では、面内膨張率を反映する追加のひずみ変数を組み込むことによってこれらの制限に対処する拡張コセラット ロッド理論を紹介します。
力学におけるソフトボディの粘弾性効果を正確に記述するために、提案されたモデルは、Saint-Venant Kirchhoff 超弾性モデルと Kelvin-Voigt 粘性モデルを統合することによって構成法則を強化します。
活動負荷と環境負荷は運動方程式で考慮され、精度と計算効率のバランスをとるために幾何学的変数ひずみ (GVS) アプローチを適用することで数値的に解決されます。
私たちの貢献には、動的コンテキストにおける拡張コセラットロッド理論の導出、および迅速かつ正確な解決を可能にする低次数数値手法の開発が含まれます。
我々は、柔らかいロボットアームの剛性調整とタコの複雑な腕の動きの研究におけるモデルの応用を実証します。

要約(オリジナル)

Inspired by the embodied intelligence of biological creatures like the octopus, the soft robotic arm utilizes its highly flexible structure to perform various tasks in the complex environment. While the classic Cosserat rod theory investigates the bending, twisting, shearing, and stretching of the soft arm, it fails to capture the in-plane deformation that occurs during certain tasks, particularly those involving active lateral traction. This paper introduces an extended Cosserat rod theory addressing these limitations by incorporating an extra strain variable reflecting the in-plane inflation ratio. To accurately describe the viscoelasticity effect of the soft body in dynamics, the proposed model enhances the constitutive law by integrating the Saint-Venant Kirchhoff hyperelastic and Kelvin-Voigt viscous models. The active and environmental loads are accounted for the equations of motion, which are numerically solved by adapting the Geometric Variable Strain (GVS) approach to balance the accuracy and computational efficiency. Our contributions include the derivation of the extended Cosserat rod theory in dynamic context, and the development of a reduced-order numerical method that enables rapid and precise solutions. We demonstrate applications of the model in stiffness tuning of a soft robotic arm and the study of complex octopus’ arm motions.

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