Modeling and Development of a Climbing Soft Robot

• Applicant: Professorin Dr.-Ing. Kristin de Payrebrune
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics ; Mechanics
• Term: from 2014 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 258667817

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Das junge Forschungsfeld der Kontinuumsrobotik steht vor der Aufgabe, effiziente Modelle für die Beschreibung weicher, hochelastischer Strukturen zu entwickeln, um Vorhersagen über deren Verhalten und nötiger Ansteuerung treffen zu können. Dazu müssen die Zusammenhänge zwischen, im untersuchten Fall, pneumatischer Ansteuerung und resultierender Verformung, wie auch der Einfluss von extern aufgebrachten Kräften und Kontakten berücksichtigt werden. Das entwickelte Modell für die Bewegungsbeschreibung von Kontinuumsrobotern basiert auf einer einfachen Balkentheorie was zum schnellen Lösen der Bewegungsgleichung in Matlab führt. Die reale Struktur des Roboters wird dabei jedoch sehr stark vereinfacht, wodurch die pneumatische Ansteuerung auf Modellgrößen (Anfangskrümmung) übertragen werden muss. Weiterhin werden die Geometrie und Materialeigenschaften in der Biegesteifigkeit vereint. Beide Modellparameter, Anfangskrümmung und Biegesteifigkeit, müssen für jeden neuen Kontinuumsroboter ermittelt werden, was durch einfache Experimente oder FEM Simulationen realisierbar ist. Das parametrierte Balkenmodell erlaubt es die Verformung des Roboters zu ermitteln. Hierbei ist die Übertragung des Modells auf andere Roboterstrukturen derselben Geometrie (aber z.B. unterschiedlicher Längen und Anzahl an Segmenten) sehr einfach möglich und es können schnell Lösungen für verschiedene Ansteuerungen berechnet werden. Zusätzlich lassen sich Parameterstudien und Optimierungen der Ansteuerung und der Struktur einfach durchführen. Für komplexere Kontinuumsroboter, bei denen zusätzlich zur Biegung auch z.B. Torsion berücksichtigt werden soll, lässt sich das Balkenmodell um diese Einflüsse erweitern. Die Identifikation der Torsionssteifigkeit kann dabei wieder numerisch oder experimentell erfolgen. Ein überraschendes Ergebnis war der experimentell und aus FEM Simulationen ermittelte Biegemomentenverlauf mit zwei Bereichen, wovon einer eine negative Steigung aufweist. Nach genauer Analyse konnte der Vorzeichenwechsel der Biegesteifigkeit auf den Krümmungsverlauf von (𝜅 − 𝜅0 ) zurückgeführt werden und damit auf eine geometrische Größe.

Publications

• (2017) On the development of rod-based models for pneumatically actuated soft robot arms: A five-parameter constitutive relation. International Journal of Solids and Structures 120 226–235
  Payrebrune, Kristin M. de; O’Reilly, Oliver M.
  
• An experimentally validated rod model for soft continuum robots. PAMM. 16, 1 (2016), 317–318
  Payrebrune, K.M. de and O’Reilly, O.M.
  
• Getting soft robots to move: Models, Experiments and Simulations, SES 2016
  Payrebrune, K.M. de and O’Reilly, O.M.
  
• On Constitutive Relations for a Rod-Based Model of a Pneu-Net Bending Actuator. Extreme Mechanics Letters. 8, (2016), 38–46
  Payrebrune, K.M. de and O’Reilly, O.M.