Control of Soft Pneumatic Actuators with Approximated Dynamical Modeling

要約

本論文では、シリンジポンプとソフト空気圧アクチュエータ（SPA）のフルシステムモデリング戦略を紹介する。ソフトアクチュエータは梁構造として概念化し、2次曲げモデルを利用する。固有振動数の式はオイラーの曲げ理論から導出され、減衰比はソフト空気圧アクチュエータのステップ応答のフィッティングから推定される。モデルの不確実性を評価することで、我々のモデリング手法のロバスト性を強調している。本アプローチを検証するため、寸法パラメータが異なる4つのプロトタイプに本アプローチを適用しました。さらに、アクチュエータを駆動するためにシリンジポンプを設計し、完全なシステムモデルを構築するために圧力モデルを提案した。このフルシステムモデルを採用することで、ソフトアクチュエータを制御するためにLQR（Linear-Quadratic Regulator）コントローラを実装し、ステップ応答と矩形波関数応答試験の両方で高速応答と高精度を達成した。モデリング手法とLQRコントローラの両方を実験により徹底的に評価する。最後に、2つのアクチュエータとフィードバックコントローラで構成されるグリッパは、繊細な物体の安定した把持を示し、成功率が大幅に向上した。

要約(オリジナル)

This paper introduces a full system modeling strategy for a syringe pump and soft pneumatic actuators(SPAs). The soft actuator is conceptualized as a beam structure, utilizing a second-order bending model. The equation of natural frequency is derived from Euler’s bending theory, while the damping ratio is estimated by fitting step responses of soft pneumatic actuators. Evaluation of model uncertainty underscores the robustness of our modeling methodology. To validate our approach, we deploy it across four prototypes varying in dimensional parameters. Furthermore, a syringe pump is designed to drive the actuator, and a pressure model is proposed to construct a full system model. By employing this full system model, the Linear-Quadratic Regulator (LQR) controller is implemented to control the soft actuator, achieving high-speed responses and high accuracy in both step response and square wave function response tests. Both the modeling method and the LQR controller are thoroughly evaluated through experiments. Lastly, a gripper, consisting of two actuators with a feedback controller, demonstrates stable grasping of delicate objects with a significantly higher success rate.

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