Design and Nonlinear Modeling of a Modular Cable Driven Soft Robotic Arm

要約

私たちは、タコの触手にヒントを得た、新しい複数セクションのケーブル駆動のソフトロボットアームと、新しいモデリングアプローチを提案します。
モジュール式マニピュレーターの各セクションは、軟質チューブのバックボーン、軟質シリコンのアーム本体、および隣接するセクションを接続し、異なるセクションの作動ケーブルを切り離す 2 つの硬質エンドキャップで構成されています。
柔らかいロボット アームは、硬いエンドキャップを 3D プリントした後、鋳造で作成され、低コストで便利な製造を実現します。
コンプライアンスを高めるための中間剛性ケーブル ガイドがないことによって生じる、柔らかいシリコン アーム本体に押し込まれるケーブルの非線形効果を捉えるために、曲げ曲率とケーブル長の関係を捉える静的解析モデルが開発されました。
提案されたモデルは、実験において、特に大きな曲げ条件下で、ベースライン モデルよりも優れた予測性能を示します。
非線形静的モデルに基づいて、複数セクションのアームの運動学モデルがさらに開発され、動作計画アルゴリズムを導き出すために使用されます。
実験の結果、提案されたソフト アームは高い柔軟性と広い作業スペースを備え、提案されたモデリング アプローチに基づくアルゴリズムの下での追跡誤差は、ベースライン モデルから導出されたアルゴリズムによる追跡誤差よりも最大 52$\%$ 小さいことが示されました。
提示されたモデリング アプローチは、幅広いソフト ケーブル駆動のアクチュエータおよびマニピュレータに適用できると期待されます。

要約(オリジナル)

We propose a novel multi-section cable-driven soft robotic arm inspired by octopus tentacles along with a new modeling approach. Each section of the modular manipulator is made of a soft tubing backbone, a soft silicon arm body, and two rigid endcaps, which connect adjacent sections and decouple the actuation cables of different sections. The soft robotic arm is made with casting after the rigid endcaps are 3D-printed, achieving low-cost and convenient fabrication. To capture the nonlinear effect of cables pushing into the soft silicon arm body, which results from the absence of intermediate rigid cable guides for higher compliance, an analytical static model is developed to capture the relationship between the bending curvature and the cable lengths. The proposed model shows superior prediction performance in experiments over that of a baseline model, especially under large bending conditions. Based on the nonlinear static model, a kinematic model of a multi-section arm is further developed and used to derive a motion planning algorithm. Experiments show that the proposed soft arm has high flexibility and a large workspace, and the tracking errors under the algorithm based on the proposed modeling approach are up to 52$\%$ smaller than those with the algorithm derived from the baseline model. The presented modeling approach is expected to be applicable to a broad range of soft cable-driven actuators and manipulators.

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