مدل‌سازي سينماتيكي ربات نرم فضايي به روش تحليلي بهبوديافته مبتني بر ربات‌هاي سري

Kinematic Modeling of a Spatial Soft Robot by an Improved Analytical Method Based on Serial Robots

در اين مقاله مدل‌سازي سينماتيكي يك ربات نرم نيوماتيكي، شامل تركيب موازي سه عملگر نرم، با قابليت موقعيت‌دهي فضايي مورد بررسي قرار‌ گرفته است. روش پيشنهادي بررسي سينماتيك ربات در اين پژوهش، برخلاف مدل‌هاي پيشين، با فيزيك ربات نرم همخواني داشته و ايده‌ي اصلي آن، مدل‌كردن شكل و حركت ربات نرم با ربات‌هاي صلب سري است كه شكل و حركت مشابهي ايجاد نمايد. مدل سينماتيكي ارائه‌شده شامل حالات مستقيم و معكوس بوده و از روش‌هاي دقيق هندسي بهره مي‌برد. همچنين، ژاكوبين‌ سرعت مجري نهايي ربات نرم با دو روش‌ مختلف، مبتني بر اصول ربات‌هاي سري، استخراج گرديده است. در ادامه، فضاي‌كاري ربات با توجه به قيود سينماتيكي، مشخص و شكل ربات در آن فضا تعيين گرديد. صحه‌گذاري مدل‌سازي جديد ارائه شده، توسط شبيه‌سازي المان محدود و همچنين آزمايش‌هاي تجربي مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج شبيه‌سازي المان محدود نشان‌دهنده‌ي حداكثر 1/6 درصد خطا براي مدل سينماتيك معكوس پيشنهادشده مي‌باشد. همچنين نتايج آزمايش تجربي، بيانگر حداكثر 13 درصد خطا -با توجه به خطاهاي ناشي از ساخت و تاثيرات جاذبه- براي مدل سينماتيك مستقيم است. نتايج حاصل نشان مي‌دهد مدل جديد ارائه شده با توجه به ساده‌سازي ساختاري بر مبناي ربات هاي سري، داراي دقت مناسب براي استفاده در مدل‌سازي حركتي و در ادامه كنترل ربات را خواهد داشت.

In this paper, kinematic modeling of a soft pneumatic robot, including a combination of 3 soft actuators, with the capability of spatial positioning is presented. The proposed kinematic model in this research, unlike former methods, corresponds to the physics of robot and the main idea is modeling its configuration and movement by serial rigid robots which generate the same configuration and movement. The given kinematic model consists of forward and inverse problems and uses accurate geometrical solutions. In addition, the velocity Jacobian of soft robot has been determined by two different approaches based on rigid serial robot principles. Furthermore, the robot workspace and its configurations have been determined by considering the kinematic constraints. Modeling accuracy has been evaluated by finite element simulation and also experiments. Simulation results show the maximum error of 1.6% for the inverse kinematic model and the maximum error of forward kinematic model has been 13% in experiments due to manufacturing errors and gravity effects. These results demonstrate that the proposed model has proper accuracy for motion modeling and its control in future works.