[論文レビュー] Design, Modelling and Validation of a Novel Extra Slender Continuum Robot for In-situ Inspection and Repair in Aeroengine

Mingfeng Wang, Xin Dong+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2019

Soft Robotics and Applications参考文献 21被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、航空機ジェットエンジンの燃焼室における現場での点検・修繕を目的とした、16自由度で極めて細長い（直径対長さ比 <0.02）二段階式 tendons 駆動の連続的ロボットを提案する。ベベルドディスク、剛体-柔軟結合部、および2自由度セクションごとに3本のケーブルを用いた駆動機構を統合し、高精度な形状制御と選択的剛性を実現した。この性能は、区分的一定曲率運動学モデルと、角度依存摩擦を組み込んだ Kirchhoff-弾性ロッド静的モデルにより検証された。

ABSTRACT

In-situ aeroengine maintenance works are highly beneficial as it can significantly reduce the current maintenance cycle which is extensive and costly due to the disassembly requirement of engines from aircrafts. However, navigating in/out via inspection ports and performing multi-axis movements with end-effectors in constrained environments (e.g. combustion chamber) are fairly challenging. A novel extra-slender (diameter-to-length ratio &lt;0.02) dual-stage continuum robot (16 degree-of-freedom) is proposed to navigate in/out confined environments and perform required configuration shapes for further repair operations. Firstly, the robot design presents several innovative mechatronic solutions: (i) dual-stage tendon-driven structure with bevelled disks to perform required shapes and to provide selective stiffness for carrying high payloads; (ii) various rigid-compliant combined joints to enable different flexibility and stiffness in each stage; (iii) three commanding cables for each 2-DoF section to minimise the number of actuators with precise actuations. Secondly, a segment-scaled piecewise-constant-curvature-theory based kinematic model and a Kirchhoff-elastic-rod-theory based static model are established by considering the applied forces/moments (friction, actuation, gravity and external load), where the friction coefficient is modelled as a function of bending angle. Finally, experiments were carried out to validate the proposed static modelling and to evaluate the robot capabilities of performing the predefined shape and stiffness.

研究の動機と目的

• エンジンを完全に分解せずに、航空機ジェットエンジンにおける現場での点検・修繕を実現する課題に対処すること。
• 狭い点検口を通過可能で、限られた空間内に複雑な形状をとる能力を持つロボットの設計。
• 革新的なメカトロニクス設計により、選択的剛性と高い荷重容量を実現すること。
• 摩擦、駆動力、重力、外部荷重を考慮した正確な運動学的および静的モデルの開発。
• 実験的試験を通じて、形状精度および剛性制御性能の妥当性を検証すること。

提案手法

• ベベルドディスクを備えた二段階式 tendons 駆動構造により、高精度な形状形成と選択的剛性を実現し、高荷重容量を達成。
• 剛体-柔軟結合部を用いることで、ロボットの異なる段階で可動域と剛性を可変可能に。
• 2自由度セクションごとに3本の制御ケーブルを採用し、アクチュエータ数を削減しながらも高精度な駆動を実現。
• セグメントスケールの区分的一定曲率理論に基づく運動学モデルにより、駆動条件下でのロボットの配置を予測。
• Kirchhoff-弾性ロッド理論に基づく静的モデルは、外力（摩擦、駆動力、重力、外部荷重）を組み込み、摩擦係数は曲げ角度の関数としてモデル化。
• 実験により静的モデルの妥当性を検証し、所定の形状と剛性レベルの達成能力を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、極めて制限された航空機ジェットエンジン環境において、高い機動性と荷重容量を併せ持つ連続的ロボットを実現できるか？
• RQ2 変化する曲率を持つ極めて細長い多段階連続的ロボットの配置を正確に予測できる運動学的モデルは何か？
• RQ3 このようなロボットにおける摩擦は、曲げ角度にどのように依存するか？また、より高い精度を得るためにはどのようにモデル化できるか？
• RQ4 最小限のアクチュエータ数で実現される tendons 駆動設計は、16自由度のシステムにおいて、高精度な形状制御と選択的剛性を達成できるか？
• RQ5 提案された静的モデルは、複合荷重条件下での実世界のロボット挙動をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• ロボットは狭いエンジン内通路を正常に通過し、所定の複雑な形状を高い再現性で達成した。
• 区分的一定曲率運動学モデルは、実験データからの最小限のずれでロボットの形状を正確に予測した。
• 角度依存摩擦を組み込んだ Kirchhoff-弾性ロッド静的モデルは、実験的力-変位測定値と強く一致した。
• 機械的設計により選択的剛性を実現し、修繕作業中の安定した荷重取り扱いを可能にした。
• 実験的妥当性評価により、摩擦、重力、外部荷重などの複合条件下での形状および剛性の予測精度が確認された。
• 2自由度セクションごとに3本のケーブル駆動により、アクチュエータ数を効果的に削減しながらも、高精度な制御と良好な動的応答を維持できた。