РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И СИСТЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИИ ГИБКОГО ЗМЕЕПОДОБНОГО РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА НА ОСНОВЕ ЭМПИРИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Предложена новая конструкция пневматического гибкого манипулятора на основе последовательно-параллельной композитной структуры. Гибкий скелет устройства создан по принципу сочленений позвоночника змеи. Смежные позвонки снабжены расположенными с двух сторон воздушными резервуарами-суставами, соединенными параллельно с позвоночником. Пневматический сустав может быть согнут влево или вправо в плоскости движения робота путем изменения давления в пневмокамере. Разработана кинематическая модель, позволяющая рассчитать положение рабочего органа в зависимости от углов изгиба сочленений манипулятора, которые, в свою очередь, рассчитываются исходя из давления в пневмокамерах-суставах. Для разработанной конструкции предложен способ расчета планируемой траектории манипулятора на основе решения обратных задач кинематики. Приведены несколько примеров расчета оптимальных траекторий движения, отвечающих различным требованиям задачи. Результаты натурных экспериментов показывают, что разработанный гибкий змееподобный манипулятор точно следует заранее спланированной траектории и демонстрирует широкие возможности перемещения на плоскости.

Об авторах

Синьбинь ЧЖАН

Харбинский политехнический университет, Харбин

Email: xinbinzhang@hit.edu.cn
канд. техн. наук Китай

Чжо ЧЭНЬ

Юго-Западный университет науки и технологий, Мяньян

Email: 986052851@qq.com
магистр Китай

Хаосян СУ

Юго-Западный университет науки и технологий, Мяньян

Email: 463099610@qq.com
магистр Китай

Лигоу ТАНЬ

Харбинский политехнический университет, Харбин

Email: tanliguo@hit.edu.cn
канд. техн. наук Китай

Хунвэй ЛЮ

Юго-Западный университет науки и технологий, Мяньян

Email: liuhongwei@swust.edu.cn
канд. техн. наук Китай

Маньлу ЛЮ

Юго-Западный университет науки и технологий, Мяньян

Email: liumanlu@swust.edu.cn
канд. техн. наук Китай

Цзяньвэнь ХО

Юго-Западный университет науки и технологий, Мяньян

Email: huojianwen2008@hotmail.com
канд. техн. наук Китай

С. В НОВИКОВА

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева

Email: SVNovikova@kai.ru
д-р техн. наук Россия

Список литературы

  1. Larson O., Davidson C. Flexible arm, particularly a robot arm: U.S. Patent No. 4393728. 19 Jul. 1983.
  2. Hannan M.W., Walker I.D. Kinematics and the implementation of an elephant’s trunk manipulator and other continuum style robots // J. Robot. 2003. No. 20(2). P. 45–63.
  3. McMahan W., Jones B., Walker I.D. Design and implementation of a multisection continuum robot: Air-Octor // 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2005. P. 2578–2585.
  4. Robert B. Robots in the nuclear industry: a review of technologies and applications // Indust. Robot: Int. J. 2011. No. 38(2). P. 113–118.
  5. Rob B., Andrew G. Nuclear snake-arm robots // Indust. Robot: Int. J. 2012. No. 39(1). P. 6–11.
  6. Camarillo D.B., Milne C.F., Carlson C.R., et al. Mechanics Modeling of TendonDriven Continuum Manipulators // IEEE Transactions on Robotics. 2008. No. 24(6). P. 1262–1273.
  7. Xu W., Liu T., Li Y. Kinematics, Dynamics, and Control of a Cable-Driven Hyper-Redundant Manipulator // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2018. No. 23(4). P. 1693–1704.
  8. Rolf M., Steil J. Constant curvature continuum kinematics as fast approximate model for the bionic handling assistant // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE Publ. 2012. P. 3440–3446.
  9. Yang G.Z., Bellingham J., Dupont P.E., et al. The grand challenges of Science Robotics // Sci. Robot. 2018. No. 3(14). P. eaar7650.
  10. Dumais J., Forterre Y. Vegetable Dynamicks: the role of water in plant movements // Ann. Rev. Fluid. Mech. 2012. No. 44. P. 453–478.
  11. Argiolas A., Puleo G.L., Sinibaldi E., et al. Osmolyte cooperation affects turgor dynamics in plants // Sci. Rep. 2016. No. 6. P. 30139.
  12. Chen Z.C., Yamaji N., Fujii-Kashino M., et al. A cationchloride cotransporter gene is required for cell elongation and osmoregulation in rice // Plant. Physiol. 2016. No. 171. P. 494–507.
  13. Margheri L., Laschi C., Mazzolai B. Soft manipulator inspired by the octopus: I. From biological functions to artificial requirements // Bioinspir. Biomim. 2012. No. 7(2). P. 1–12.
  14. Wirekoh J., Park Y.L. Design of flat pneumatic artificial muscles // Smart Materials and Structures. 2017. No. 26(3). P. 035–009.
  15. Rodrigue H., Wang W., Han M.W., et al. An overview of shape memory alloy-coupled actuators and robots // Soft Robot. 2017. No. 4. P. 3–15.
  16. Miriyev A., Stack K., Lipson H. Soft material for soft actuators // Nature Communications. 2017. No. 8(1). P. 596–605.
  17. Mirvakili S.M., Sim D., Hunter I.W., et al. Actuation of untethered pneumatic artificial muscles and soft robots using magnetically induced liquid-to-gas phase transitions // Science Robotics. 2020. No. 5(41). P. eaaz4239.
  18. Neppalli S., Jones B., McMahan W., et al. OctArm – A soft robotic manipulator // 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2007. P. 2569–2569.
  19. Hao J., Wang Z., Jin Y., Chen X., Peijin L., Gan Y., Chen X. Hierarchical control of soft manipulators towards unstructured interactions // Int. J. Robot. Res. 2021. No. 40. P. 0278364–92097936.
  20. Escande C., Chettibi T., Merzouki R., Coelen V., Pathak P.M. Kinematic calibration of a multisection bionic manipulator // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2015. No. 20(2). P. 663–674.
  21. Marchese A.D., Rus D. Design, kinematics, and control of a soft spatial fluidic elastomer manipulator // Int. J. Robot. Res. 2015. No. 35(7). P. 840–869.
  22. Yan J., Zhang X., Xu B., Zhao J. A new spiral-type inflatable pure torsional soft actuator // Soft Robotics. 2018. No. 5(5). P. 527–540.
  23. Thuruthel T.G., Shih B., Laschi C., Tolley M.T. Soft robot perception using embedded soft sensors and recurrent neural networks // Science Robotics. 2019. No. 4(26). P. eaav1488.
  24. Greer J.D., Blumenschein L.H., Alterovitz R., Hawkes E.W., Okamura A.M. Robust navigation of a soft growing robot by exploiting contact with the environment // Int. J. Robot. Res. 2020. No. 39(14). P. 1724–1738.
  25. Gong Z., Fang X., Chen X., Cheng J., Xie Z., Liu J., Wen L. A soft manipulator for efficient delicate grasping in shallow water: Modeling, control, and real-world experiments // Int. J. Robot. Res. 2021. No. 40(1). P. 449–469.
  26. Kurumaya S., Phillips B.T., Becker K.P., Rosen M.H., Gruber D.F., Galloway K.C., Suzumori K., Wood R.J. A modular soft robotic wrist for underwater manipulation // Soft Robot. 2018. No. 5. P. 399–409.
  27. Kaufmann J., Bhovad P., Li S. Harnessing the multistability of kresling origami for reconfigurable articulation in soft manipulators // Soft Robotics. 2022. No. 9(2). P. 212–223.
  28. Schubert B.E., Floreano D. Variable stiffness material based on rigid low-meltingpoint-alloy microstructures embedded in soft poly (dimethylsiloxane) (PDMS) // Rsc. Adv. 2013. No. 3(46). P. 24671–24679.
  29. Brown E., Rodenberg N., Amend J., et al. Universal robotic gripper based on the jamming of granular material // P. Natl. Acad. Sci. 2010. No. 107(44). P. 18809– 18814.
  30. Kim Y.J., Cheng S., Kim S., et al. A novel layer jamming mechanism with tunable stiffness capability for minimally invasive surgery // IEEE T. Robot. 2013. No. 29(4). P. 1031–1042.
  31. Hao J., Wang Z., Jin Y., Chen X., Peijin L., Gan Y., Chen X. Hierarchical control of soft manipulators towards unstructured interactions // Int. J. Robot. Res. 2021. No. 40. P. 027836492097936.
  32. Братчиков С.А., Абрамова Е.А., Федосов Ю.В. Решение обратной задачи кинематики манипулятора // Вестник – Томский государственный университет. Управление, вычислительная техника и информатика. 2021. № 56. С. 4–11. https://doi.org/10.17223/19988605-56-1
  33. Молотков А.В., Челноков Ю.Н. Решение обратной задачи кинематики роботаманипулятора «Пума» с использованием бикватернионной теории кинематического управления // Математика. Механика. 2002. № 4. С. 204–206.
  34. Анципорович П.П., Акулич В.К., Дубовская Е.М. Решение обратной задачи кинематики манипулятора // Теоретическая и прикладная механика: международный научно-технический сборник. 2017. № 32. С. 306–309.
  35. Svinin M.M., Uchiyama M. A new compensation scheme for the inverse kinematics tasks of flexible robot arms // Proceedings of the 1994 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1994. V. 1. P. 315–320. https://doi.org/10.1109/ROBOT-1994-351276
  36. Lamb M., Lee S., Billing E., Hogberg D., Yang J. Forward and Backwards Reaching Inverse Kinematics (FABRIK) solver for DHM: A pilot study // Proceedings of the 7th International Digital Human Modeling Symposium (DHM 2022) and Iowa Virtual Human Summit. 2022. P. dhm.31772. https://doi.org/10.17077/dhm-31772
  37. Камильянов А.Р. Планирование траекторий движения многозвенного манипулятора в сложном трехмерном рабочем пространстве на основе эволюционных методов // Дис. . . . канд. техн. наук. Уфа. 2007.
  38. Плотникова Н.В. Управление манипуляционными роботами на основе нечеткой логики // Наука ЮУрГУ: материалы 62 науч. конф. 2010. Т. 2. С. 170–174.
  39. Рахим Ф.А. Нейро-нечеткая структура планирования перемещения роботаманипулятора в режиме онлайн в неизвестной динамической среде // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2008. № 6. С. 41–49.
  40. Song T.L., Lu Y.P., Li Z.Y. Structural design and research of the bionic snake-like robot // Advanced Materials Research. Trans Tech Publications Ltd. 2012. No. 538. P. 3034–3037.
  41. Oluwade B., Uwadia C., Ayeni J. Asymptotic Time Complexity of an Algorithm for Finding the Error Pattern of a Uniform Digital Code // J. Sci. Res. Develop. 2001. No. 6. P. 127–134.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025