[论文解读] Analysis and Control of Fiber-Reinforced Elastomeric Enclosures (FREEs)

Soheil Habibian|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

Soft Robotics and Applications参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于纤维增强弹性体封装（FREE）的动态集中参数模型与PID控制框架，FREE是一种软性气动执行器，通过旋转角度控制实现精确的轨迹跟踪。有限元分析（FEA）验证了该模型，并确定了FREE模块的工作空间，展示了对非线性材料行为的精确模拟以及对软体机器人机械臂的有效控制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种动态集中参数模型，用于在不同工况下模拟FREE执行器的行为。
• 设计一种PID控制器，通过将旋转角度作为控制输入，实现轨迹跟踪。
• 利用有限元分析（FEA）评估非线性材料特性，并优化FREE配置。
• 确定多个FREE在模块化软体机器人臂配置下的有效工作空间。
• 弥合理论建模与软性气动执行器在机器人应用中实际控制之间的差距。

提出的方法

• 构建集中参数动态模型，以模拟在不同压力和负载条件下单个FREE的运动行为。
• 实现PID控制器以调节执行器的旋转角度，实现期望的阶跃响应或多项式轨迹跟踪。
• 将弹性体和纤维增强材料的非线性材料特性整合到有限元分析（FEA）模型中，以实现高保真度仿真。
• 利用FEA仿真评估几何与材料参数（包括预拉伸和纤维角度），以优化执行器性能。
• 通过FEA计算多FREE模块的工作空间，评估其作为软体机器人臂中构建模块的潜力。
• 通过将仿真结果与在受控输入下的预期机械行为进行比较，完成模型验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过动态集中参数模型准确表征FREE在不同气压和机械载荷下的行为？
• RQ2 当以旋转角度作为控制变量时，PID控制器在多大程度上可实现精确的轨迹跟踪？
• RQ3 弹性体和纤维增强材料的非线性材料特性如何影响FREE的性能与变形？
• RQ4 在协同驱动条件下，模块化FREE配置的有效工作空间是什么？
• RQ5 基于FEA的仿真能否可靠预测基于FREE的软驱动器的性能和最优设计参数？

主要发现

• 集中参数模型成功模拟了FREE在不同压力输入和负载条件下的动态响应，能够准确预测执行器的运动行为。
• PID控制器实现了稳定且精确的轨迹跟踪，针对多项式参考函数的响应时间与超调量通过调参实现定量最小化。
• FEA仿真证实，非线性材料行为显著影响执行器的变形，准确建模需引入超弹性材料定律。
• 通过FEA计算得出多FREE模块的工作空间，表明协同驱动可实现广泛范围的末端执行器朝向，适用于机器人操作。
• 预拉伸和纤维角度被识别为影响驱动范围和输出力的关键设计参数，FEA提供了这些变量的最优取值范围。
• 将FEA与控制模型相结合，实现了基于FREE的软体机器人系统可靠的设计优化与性能预测。