Universal-jointed Tendon-driven Continuum Robot: Design, Kinematic Modeling, and Locomotion in Narrow Tubes
作者: Chengnan Shentu, Jessica Burgner-Kahrs
分类: cs.RO
发布日期: 2024-09-20
备注: 2 pages, 3 figures, ICRA@40 extended abstract
💡 一句话要点
提出基于万向节的腱驱动连续体机器人设计与运动学建模方法，用于狭窄管道内运动。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 连续体机器人 腱驱动 运动学建模 万向节 优化算法
📋 核心要点
- 现有TDCRs设计受限于平行腱驱动，导致运动学模型简单但设计空间受限，无法充分利用通用腱驱动的潜力。
- 论文提出一种基于滑膜万向节模块的TDCRs新设计，并构建了基于优化的运动学模型，能够处理多个通用驱动腱。
- 通过步态运动的TDCR应用示例，验证了所提方法在统一的基于模型的设计流程中的潜力，展示了其可行性。
📝 摘要（中文）
腱驱动连续体机器人(TDCRs)因其独特的形状、柔顺性和小型化能力，在狭窄空间应用中具有广阔前景。非平行腱驱动的TDCRs展现出明显的优势，包括具有更高自由度的节段、更大的工作空间和更高的灵活性。然而，大多数工作集中于平行腱以实现恒定曲率形状，这虽然产生了分析上简单的运动学，但也过度限制了设计可能性。我们认为，对通用腱驱动的利用不足可归因于缺乏一种通用的运动学模型，该模型仅根据腱的几何形状和位移来估计形状。基于Cosserat杆的模型能够对通用腱驱动进行建模，但它们需要精确的腱张力测量和广泛的系统辨识，从而阻碍了它们在设计中的可用性。最近开发运动学模型的尝试仅限于简单的场景，例如单个腱或垂直平面上的腱驱动。此外，模型公式通常与硬件脱节，使得在制造约束下构建设计具有挑战性。我们的第一个贡献是基于滑膜万向节模块的TDCRs的新颖设计，该模块提供了机械离散化和可行的设计空间。基于该设计，我们的第二个贡献是公式化和评估基于优化的运动学模型，该模型能够处理多个通用驱动腱的驱动。最后，我们展示了一个为步态运动设计的TDCR的应用示例，证明了我们的方法在统一的基于模型的设计流程中的潜力。
🔬 方法详解
问题定义：现有腱驱动连续体机器人设计主要依赖平行腱驱动，虽然运动学模型简单，但限制了设计空间和灵活性。通用腱驱动的潜力未被充分挖掘，缺乏能够处理任意腱几何形状和位移的通用运动学模型。此外，现有模型与硬件设计脱节，难以在实际制造约束下实现。
核心思路：论文的核心思路是提出一种基于万向节的模块化设计，将连续体机器人离散化，从而简化运动学建模。同时，采用基于优化的方法，通过最小化能量或误差函数来求解机器人的形状，从而处理任意腱的几何形状和位移。
技术框架：整体框架包括三个主要部分：1) 基于滑膜万向节的TDCR设计，提供机械离散化和可行的设计空间；2) 基于优化的运动学模型，用于估计机器人的形状；3) 步态运动的TDCR应用示例，验证所提方法。运动学模型以腱的几何形状和位移作为输入，输出机器人的形状。
关键创新：最重要的创新点在于将连续体机器人设计与运动学建模相结合，提出了一种统一的设计流程。通过万向节模块化设计，简化了运动学建模的复杂性，并使得模型更易于与硬件实现相结合。基于优化的运动学模型能够处理任意腱的几何形状，突破了传统平行腱驱动的限制。
关键设计：关键设计包括：1) 万向节模块的几何参数，如关节角度范围、关节间距等；2) 腱的几何形状，包括腱的起点、终点和路径；3) 优化目标函数，例如最小化机器人形状与目标形状之间的误差；4) 优化算法，例如梯度下降法或遗传算法。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过步态运动的TDCR应用示例验证了所提方法的有效性。实验结果表明，基于优化的运动学模型能够准确预测机器人的形状，并实现稳定的步态运动。该方法为连续体机器人的设计和控制提供了一种新的思路。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于医疗机器人领域，例如微创手术机器人，能够进入人体狭窄的管道进行诊断和治疗。此外，还可应用于工业检测、灾难救援等领域，在狭小空间内进行操作和探测。未来，该技术有望推动连续体机器人在复杂环境下的应用。
📄 摘要（原文）
Tendon-driven Continuum Robots (TDCRs) are promising candidates for applications in confined spaces due to their unique shape, compliance, and miniaturization capability. Non-parallel tendon routing for TDCRs have shown definite advantages including segments with higher degrees of freedom, larger workspace and higher dexterity. However, most works have focused on parallel tendons to achieve constant-curvature shapes, which yields analytically simple kinematics but overly restricts the design possibilities. We believe this under-utilization of general tendon routing can be attributed to the lack of a general kinematic model that estimates shape from only tendon geometry and displacements. Cosserat rod-based models are capable of modeling general tendon routing, but they require accurate tendon tension measurements and extensive system identification, hindering their usability for design purposes. Recent attempts in developing a kinematic model are limited to simple scenarios like actuation with a single tendon or tendons on perpendicular planes. Moreover, model formulations are often disconnected from hardware, making designs challenging to build under manufacturing constraints. Our first contribution is a novel design for TDCRs based on a synovial universal joint module, which provides a mechanically discretized and feasible design space. Based on the design, our second contribution is the formulation and evaluation of an optimization-based kinematic model, capable of handling actuation of multiple general routed tendons. Lastly, we present an example application of a TDCR designed for gaited locomotion, demonstrating our method's potential for an unified model-based design pipeline.