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

要約

先端を反転させるつるロボットなどの膨張したビームのソフト ロボットは、空気圧作動を使用してビームの片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、一般的な有限要素モデリング手法が開発され、膨張したビームのソフト ロボットの曲げを特徴付けるために適用されます。
このモデルは、これらのロボットで使用される 4 種類の空気圧アクチュエータ (シリーズ、圧縮、埋め込み、布地空気圧人工筋肉) でテストされており、他の設計に拡張することができます。
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 種類の曲げメカニズムに依存します。
形状に基づく収縮は、筋肉が平坦な形状から膨張して短縮された形状に形状変化することを意味し、膨張したビームの座屈を引き起こします。
材料ベースの収縮は、材料の異方性に依存して収縮効果を生成します。
このモデルは両方のメカニズムを示し、座屈と異方性の複雑で非線形性の高い効果に対応します。
シミュレーション結果は、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) で実験的に検証されています。
形状ベースの収縮では、座屈パターンが確立されると 92.1% 以上の精度値で最大の変形が達成され、座屈形成で発生する応力特異点により、より低い圧力では 80.7% 以上の最大変形が達成されます。
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% です。
モデルはオンラインで無料で入手できるため、他の人が先端を反転するつるロボットなどの膨張したビーム ロボットを設計するために使用できます。
このツールを使用すると、材料特性と応力分布に関する知識を使用して曲げを可能にし、応力ピ​​ークを管理する設計を最適化することで、労働力と材料の無駄を削減できます。

要約(オリジナル)

Inflated-beam soft robots, such as tip-everting vine robots, can control their curvature by contracting one side of the beam using pneumatic actuation. In this work, a general finite element modeling approach is developed and applied to characterize bending of inflated-beam soft robots. The model is tested on four types of pneumatic actuators used in these robots (series, compression, embedded, and fabric pneumatic artificial muscles) and can be extended to other designs. Actuators rely on two types of bending mechanisms: geometry-based contraction and material-based contraction. Geometry-based contraction implies shape-change of the muscles from a flat to an inflated shortened configuration that causes buckling of the inflated beam. Material-based contraction relies on material anisotropy to produce a contraction effect. The model depicts both mechanisms and accommodates for the complex and highly nonlinear effects of buckling and anisotropy. Simulation results are verified experimentally for each actuator type at three working pressures (10, 20, and 30 kPa). Geometry-based contraction achieves the largest deformation at accuracy values of 92.1% and higher once the buckling pattern is established, and 80.7% and higher for lower pressures due to the stress singularities occurring with buckling formation. Material-based contraction achieves smaller bending angles but is at least 96.7% accurate. The models are freely available online, and can thus be used by others to design inflated-beam robots, such as tip-everting vine robots. Labor and material waste can be reduced with this tool by optimizing designs that use knowledge of material properties and stress to distributions to enable bending and manage stress peaks.

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