[논문 리뷰] Analysis and Control of Fiber-Reinforced Elastomeric Enclosures (FREEs)

Soheil Habibian|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 13.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 섬유 강화 엘라스토머 봉투(FREEs)라는 소프트 펌프 액추에이터 유형을 위한 동적 등가 모델과 PID 제어 프레임워크를 제시하며, 각도 제어를 통해 정밀한 궤적 추적을 가능하게 한다. 유한요소해석(FEA)을 통해 모델의 타당성을 검증하고 FREE 모듈의 작업 영역을 규명하였으며, 비선형 재료 거동의 정확한 시뮬레이션과 소프트 로봇 암의 효과적인 제어를 입증하였다.

ABSTRACT

While rigid robots are extensively used in various applications, they are limited in the tasks they can perform and can be unsafe in close human-robot interactions. Soft robots on the other hand surpass the capabilities of rigid robots in several ways, such as compatibility with the work environments, degrees of freedom, manufacturing costs, and safe interactions with the environment. This thesis studies the behavior of Fiber Reinforced Elastomeric Enclosures (FREEs) as a particular type of soft pneumatic actuator that can be used in soft manipulators. A dynamic lumped-parameter model is created to simulate the motion of a single FREE under various operating conditions and to inform the design of a controller. The proposed PID controller determines the response of the FREE to a defined step input or a trajectory following polynomial function, using rotation angle to control the orientation of the end-effector. Additionally, Finite Element Analysis method is employed, incorporating the inherently nonlinear material properties of FREEs, to precisely evaluate various parameters and configurations of FREEs. This tool is also used to determine the workspace of multiple FREEs in a module, which is essentially a building block of a soft robotic arm.

연구 동기 및 목표

• 다양한 작동 조건에서 FREE 액추에이터의 거동을 시뮬레이션하기 위한 동적 등가 모델을 개발하는 것.
• 회전 각도를 제어 입력으로 사용하여 궤적 추적을 가능하게 하는 PID 제어기 설계.
• 유한요소해석(FEA)을 통해 비선형 재료 특성 평가 및 FREE 구성 최적화.
• 모듈식 소프트 로봇 팔 구성에서 다수의 FREE를 통합한 작업 영역 규명.
• 이론적 모델링과 실용적 소프트 펌프 액추에이터 제어 간 격차를 메우는 것.

제안 방법

• 다양한 압력 및 하중 조건에서 단일 FREE의 운동을 시뮬레이션하기 위해 등가 모델을 수립.
• 액추에이터의 회전 각도를 제어하여 목표 단계 반응 또는 다항식 궤적 추종을 달성하기 위해 PID 제어기를 구현.
• 고정밀 시뮬레이션을 위해 고무 및 섬유 보강재의 비선형 재료 특성을 유한요소해석(FEA) 모델에 통합.
• 기하학적 및 재료적 변수(예: 사전 인장, 섬유 각도)를 평가하기 위해 FEA 시뮬레이션을 활용하여 액추에이터 성능 최적화.
• 다중 FREE 모듈의 작업 영역을 FEA를 통해 계산하여 소프트 로봇 팔의 구성 요소로서의 잠재력을 평가.
• 통제된 입력 조건 하에서 기대되는 기계적 거동과 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 모델의 타당성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 펌프 압력과 기계적 하중 조건에서 동적 등가 모델이 FREE의 거동을 얼마나 정확히 표현할 수 있는가?
• RQ2 회전 각도를 제어 변수로 사용할 때 PID 제어기가 얼마나 정밀한 궤적 추적을 달성할 수 있는가?
• RQ3 고무 및 섬유 보강재의 비선형 재료 특성이 FREE의 성능과 변형에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 다양한 FREE를 조율하여 작동시킬 경우 모듈식 FREE 구성의 효과적인 작업 영역은 무엇인가?
• RQ5 FEA 기반 시뮬레이션은 FREE 기반 소프트 액추에이터의 성능 예측 및 최적 설계 파rameter 도출에 신뢰성 있게 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 등가 모델은 다양한 압력 입력과 하중 조건 하에서 FREE의 동적 반응을 성공적으로 시뮬레이션하여 액추에이터 운동의 정확한 예측을 가능하게 하였다.
• PID 제어기는 다항식 기준 함수에 대해 안정적이고 정밀한 궤적 추적을 달성하였으며, 조정을 통해 응답 시간과 오버슈트를 양적 최소화하였다.
• FEA 시뮬레이션은 비선형 재료 거동이 액추에이터 변형에 상당한 영향을 미친다는 것을 확인하였으며, 정확한 모델링을 위해서는 초탄성 재료 법칙의 포함이 필수적임을 입증하였다.
• 다중 FREE 모듈의 작업 영역은 계산적으로 도출되었으며, 조율된 작동을 통해 로봇 조작에 적합한 광범위한 종단기구 방향 조절이 가능함을 보여주었다.
• 사전 인장과 섬유 각도는 작동 범위와 힘 출력에 영향을 미치는 핵심 설계 변수로 규명되었으며, FEA를 통해 이 변수들의 최적 범위가 도출되었다.
• FEA와 제어 모델의 통합은 FREE 기반 소프트 로봇 시스템의 신뢰성 있는 설계 최적화 및 성능 예측을 가능하게 하였다.