Development of Tendon-Driven Compliant Snake Robot with Global Bending and Twisting Actuation
作者: Seongil Kwon, Serdar Incekara, Gangil Kwon, Junhyoung Ha
分类: cs.RO
发布日期: 2024-07-22
备注: 10 pages, 12 figures
💡 一句话要点
提出一种基于腱驱动的柔性蛇形机器人，实现全局弯曲和扭转运动
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 蛇形机器人 柔性机器人 腱驱动 全局弯曲 扭转运动
📋 核心要点
- 现有蛇形机器人的运动能力与生物蛇相比仍有差距，尤其是在利用身体柔性和地面接触方面。
- 该论文提出了一种基于腱驱动的柔性蛇形机器人，通过全局弯曲和扭转实现更自然的运动方式。
- 通过室内实验验证了该机器人在不同方向上运动和转向的能力，证明了所提出方法的有效性。
📝 摘要（中文）
蛇形机器人已被研究数十年，旨在实现生物蛇流畅的运动。然而，到目前为止，它们的运动仍然远不及生物蛇。我们最近的研究表明，通过使用身体柔性和 lengthwise-globally 应用的身体张力，蛇形机器人可以利用部分地面接触来实现运动。在本文中，我们展示了这种运动原理的第一个硬件实现。我们的蛇形机器人包括串联的腱驱动连续体部分，并通过腱进行全局弯曲和扭转。我们演示了如何驱动腱以实现前进和后退运动以及侧向运动的地面接触。通过一系列室内实验验证了该机器人在各个方向上产生蛇形运动的能力及其可操纵性。
🔬 方法详解
问题定义：现有蛇形机器人在运动灵活性和效率方面存在不足，难以充分利用身体柔性和与环境的交互来实现复杂的运动模式。尤其是在模拟生物蛇利用部分地面接触进行运动时，现有的机器人设计和控制方法还不够完善。
核心思路：该论文的核心思路是设计一种基于腱驱动的柔性蛇形机器人，通过全局控制腱的张力来实现身体的弯曲和扭转，从而模拟生物蛇的运动方式。这种设计允许机器人利用身体的柔性以及与地面的部分接触来实现更高效和灵活的运动。
技术框架：该蛇形机器人由多个串联的连续体部分组成，每个部分通过腱进行驱动。整体架构包括：1）腱驱动系统：负责控制腱的张力，实现机器人的弯曲和扭转；2）连续体结构：提供身体的柔性，允许机器人适应不同的地形；3）控制系统：根据期望的运动模式，控制腱的张力，实现机器人的运动。
关键创新：该论文的关键创新在于将全局腱驱动应用于柔性蛇形机器人，实现了对机器人身体弯曲和扭转的精确控制。与传统的局部驱动方法相比，全局驱动可以更好地利用身体的柔性，实现更自然的运动模式。此外，该论文首次将这种运动原理进行了硬件实现。
关键设计：腱的布局和数量是关键设计参数，需要根据机器人的尺寸和期望的运动范围进行优化。控制算法需要根据机器人的动力学模型，精确计算腱的张力，以实现期望的运动轨迹。此外，地面的摩擦系数也会影响机器人的运动性能，需要在控制算法中进行考虑。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
通过室内实验，验证了该蛇形机器人能够实现前进、后退和侧向运动。实验结果表明，该机器人能够有效地利用身体的柔性和与地面的接触来实现运动，并且具有良好的可操纵性。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但实验结果证明了所提出的设计和控制方法的有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于狭窄空间内的搜索和救援任务、管道检测、医疗手术等领域。柔性蛇形机器人能够进入人类难以到达的区域，执行各种任务。未来，通过进一步优化控制算法和传感器集成，可以实现更自主和智能的蛇形机器人，在复杂环境中发挥更大的作用。
📄 摘要（原文）
Snake robots have been studied for decades with the aim of achieving biological snakes' fluent locomotion. Yet, as of today, their locomotion remains far from that of the biological snakes. Our recent study suggested that snake locomotion utilizing partial ground contacts can be achieved with robots by using body compliance and lengthwise-globally applied body tensions. In this paper, we present the first hardware implementation of this locomotion principle. Our snake robot comprises serial tendon-driven continuum sections and is bent and twisted globally using tendons. We demonstrate how the tendons are actuated to achieve the ground contacts for forward and backward locomotion and sidewinding. The robot's capability to generate snake locomotion in various directions and its steerability were validated in a series of indoor experiments.