مدل سازی سینماتیکی ربات پیوسته تاندونی درکاربردهای فضایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد / دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز

2 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز

چکیده

کاربرد ربات­های پیوسته دارای ساختار مکانیکی انعطاف­پذیر در صنایع هوا­فضا روز به روز گسترده­تر می­شود و اخیراً در بازرسی مخازن سوخت هواپیماها و کاوش­­گرهای فضایی مورد استفاده قرار گرفته اند. در این مقاله رفتار سینماتیکی و فضای­کاری ربات پیوسته­ی تک­بخشی مکانیزم تاندونی مطالعه شده است. جهت تحلیل سینماتیکی از روش انحناء ثابت که یکی از روش­های موثر و دقیق برای تحلیل ربات­های پیوسته به خصوص در حالت بی­وزنی می­باشد، استفاده شده است. همچنین میزان کشش و خمش لینک­های فرعی ربات پیوسته در حالت تک­بعدی و سه­بعدی بصورت تابعی از زمان بررسی شده است. طبق نتایج شبیه­سازی ها، میزان تغییر طول لینک­ها با طول اولیه­ی 40 میلی­متر به ترتیب افزایش 39/1 درصدی و کاهش به میزان 17/8 و 21/2 درصد داشته است. بر این اساس و طبق روش انحناء ثابت تخمین میزان کشش و خمش در طی بازه­ی زمانی مشخص برای انواع مواد مختلف امکان­پذیر می­گردد. بعلاوه، خطای دسترسی به نقطه­ی هدف برای مقدار بهینه زوایای خمش و چرخش که معادل 67/35 , 40/89- و بدست آمده اند، تقریبا صفر شده است که نشان دهنده­ی دقت بسیار بالای مدل­سازی ربات پیوسته بر مبنای روش انحناء ثابت است. همچنین، حرکت انتهای ربات سطح فضای­کاری کروی را با دقت 1 میلی­متر پوشش می­دهد که میزان کنترل پذیری بسیار بالایی را برای کاربردهای فضایی فراهم می­آورد. بر اساس نتایج بدست آمده، دقت حرکت ربات پیوسته در محیط­هایی با ساختار پیچیده و فضاهای محدود افزایش می­یابد و مدل ارائه شده می­تواند به عنوان مدل پایه برای ربات­های پیوسته چند­بخشی نیز مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Kinematic modeling of a continuum tendon robot for space applications

نویسندگان [English]

  • Mohammad Jabbari 1
  • Manizhe Zakeri 2
1 MSc. Student, Department of Mechanical Engineering, University of Tabriz
2 Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, University of Tabriz
چکیده [English]

The application of continuum robots with flexible mechanical structures is becoming more widespread in the aerospace. These types of robots have recently used to inspect aircraft fuel tanks and space probes. In this paper, the kinematic behavior and working space of a one-segment continuum robot with a tendon mechanism is studied. The theory for kinematic analysis is the fixed curvature method which is the most effective for analyzing continuum robots especially in the case of weightlessness. Also, the amount of tension and bending of the secondary backbones of the continuum robot in the one-dimensional and three-dimensional were investigated as a time dependent functions. Results showed the rate of change of link lengths is about 39.1% increase of back link, and 17.8%, and 21.2% decrease in others with an initial length of 40 mm. Based on results, it is possible to estimate the amount of tension and bending over a certain period for different types of materials. Additionally, the error of reaching to target point in the obtained optimal values of bending and rotation angles, equal to 67.35 and -40.89, was almost zero which shows the very high accuracy of  model. Also, the results of the working space cover the surface of the sphere of the working space with an accuracy of 1 mm. The obtained results increase accuracy of robot moving in environments with complex structures and limited spaces. The proposed model can be used as a base model for continuum multi-part robots.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Modeling
  • continuum robot
  • flexible
  • workspace
  • Kinematic
[1] S. Kolachalama, S. Lakshmanan, Continuum Robots for Manipulation Applications: A Survey, Journal of Robotics, 2020 (5), pp.1-19, 2020.
[2] H. Mochiyama, T. Suzuki, Kinematics and dynamics of a cable-like hyper-flexible manipulator”, Proceedings of The IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, 2003.
[3] M.W. Hannan, I.D. Walker, “Kinematics and the implementation of an elephant's trunk manipulator and other continuum style robots”, Journal of field robotics, 20 (2), pp. 45-63, 2003.
[4] Y. Yekutieli, R. Sagiv-Zohar, R. Aharonov, Y. Engel, B. Hochner, T. Flash, “Dynamic model of the octopus arm. I. Biomechanics of the octopus reaching movement”, Journal of neurophysiology, 94 (2), pp.1443-1458, 2005.
[5] Y. Nakabo, T. Mukai, K. Asaka, Biomimetic soft robots using IPMC. In: Kim K.J., Tadokoro S. (eds) Electroactive Polymers for Robotic Applications., Springer: London, 2007.
[6] G.S. Chirikjian, “Theory and applications of hyper-redundant robotic manipulators”, Doctoral dissertation, California Institute of Technology, 1992.
[7] H. Mochiyama, T. Suzuki, “Dynamical modelling of a hyper-flexible manipulator”, In SICE. Proceedings of the 41st SICE Annual Conference, Osaka, Japan, pp. 1505-1510, 2002.
[8] H. Mochiyama, T. Suzuki “Kinematics and dynamics of a cable-like hyper-flexible manipulator”, In Robotics and Automation, Proceedings, ICRA'03. IEEE International Conference, Taipei, Taiwan, pp. 3672-3677, 2003.
[9] D.C. Rucker, R.J. Webster III, “Statics and dynamics of continuum robots with general tendon routing and external loading”, IEEE Transactions on Robotics, 27 (6), pp. 1033-1044, 2011.
[10] G. C. Niu, Z. C. Zheng, Q. J. Gao, W. J. Wang, & L. Wang, “A novel design of aircraft fuel tank inspection robot”, Telkomnika-Indones J Electr Eng 11, pp.3684-3692, 2013.
[11] E. Tatlicioglu, I.D. Walker, D.M. Dawson. “Dynamic modelling for planar extensible continuum robot manipulators”, In Robotics and Automation, IEEE International Conference, Rome, Italy, pp. 1357-1362, 2007.
[12] Y. Ganji, F. Janabi-Sharifi, A.N. Cheem “Robot-assisted catheter manipulation for intracardiac navigation”, International journal of computer assisted radiology and surgery, 4 (4), pp. 307-315, 2009.
[13] I. Gravagne, I.D. Walker, “Kinematics for Constrained Continuum Robots, Using Wavelet Decomposition”, American Society of Civil Engineers, pp. 292–298, ch.37, 2000.
[14] J.L. Santiago, I.D. Walker, I.S. Godage. “Continuum robots for space applications based on layer-jamming scales with stiffening capability”, In IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, USA, pp. 1-13, 2015.
[15] G. C. Niu, W. J. Wang, and K. Xu, “Model analysis for a continuum aircraft fuel tank inspection robot based on the Rzeppa universal joint”, Advances in Mechanical Engineering, 10(5), 2018.
[16] B.A. Jones, I.D. Walker. “Kinematics for multisection continuum robots,” Journal of IEEE Transactions on Robotics, 22(1), pp. 43-55, 2006.
[17] R.J. Webster III, B.A. Jones, “Design and kinematic modeling of constant curvature continuum robots”, A review. The International Journal of Robotics Research, 29(13), pp. 1661-1683, 2010.
[18] Y. Tian, M. Luan, X. GAO, W. Wang, L. Li, " Kinematic Analysis of Continuum Robot Consisted of Driven Flexible Rods”, Mathematical Problems in Engineering, 2016, Article ID 6984194, 7 pages, 1-7, 2016.