Design, manufacturing, and inverse dynamic modeling of soft parallel robots actuated by dielectric elastomer actuators

📄 arXiv: 2409.20344v1 📥 PDF

作者: Jung-Che Chang, Xi Wang, Dragos Axinte, Xin Dong

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2024-09-30

备注: 17 pages, 12 figures

💡 一句话要点

设计并制造基于介电弹性体驱动的软体并联机器人，并建立其逆动力学模型

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 介电弹性体驱动器 并联机器人 逆动力学建模 电活性聚合物 角行程放大 3D打印 高稳定性电极

📋 核心要点

  1. 现有电活性聚合物驱动的软体机器人面临产品质量和多驱动器协同动态建模的挑战。
  2. 通过角行程放大机制和3D拼图条结构优化机器人设计，并提出一种高稳定性导电涂层制造方法。
  3. 构建逆动力学模型预测机器人输出力和逆运动，实验验证了模型的有效性，轨迹跟踪误差小于2.5%。

📝 摘要（中文）

软体并联机器人因其操作安全性和低商业成本，在精细操作和安全人机交互方面展现出广阔前景。然而，由于产品质量提升不足以及多执行器协同的动态建模问题，电活性聚合物（EAP）的应用仍面临挑战。本文介绍了一种由介电弹性体驱动器（DEA）驱动的并联运动Delta机器人的设计、制造、建模和控制。通过角行程放大机制重新平衡了驱动力和行程之间的权衡，并利用3D拼图条结构减轻了机器人框架的重量。通过激光扫描DE薄膜，然后用由颗粒和光敏树脂混合而成的导电颗粒基电极夹在硅基薄膜上，实现了一种构建高稳定性导电涂层的通用方法。与广泛使用的碳脂相比，所制造的电极在支架测试前后表现出更高的动态一致性。最后，为了预测机器人末端执行器的输出力和逆运动，我们通过引入扩展的Bergstrom-Boyce模型来描述介电薄膜的本构行为，构建了逆动力学模型。实验结果表明，当末端执行器保持静止时，机器人输出力的预测均方根误差（RMSE）为12.4%，轨迹跟踪的均方根误差小于2.5%。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决由介电弹性体驱动器（DEA）驱动的软体并联机器人的设计、制造和控制问题。现有方法在DEA质量、多执行器协同动态建模以及驱动力和行程的平衡方面存在不足，限制了其在实际应用中的推广。

核心思路：论文的核心思路是通过优化机器人结构设计、改进电极制造工艺和建立精确的逆动力学模型来提升软体并联机器人的性能。具体来说，通过角行程放大机制平衡驱动力和行程，利用3D拼图条结构减轻重量，并开发高稳定性电极。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个阶段：1) 机器人结构设计：采用并联Delta结构，并优化框架设计以减轻重量。2) DEA制造：开发高稳定性导电涂层，并集成到DEA中。3) 逆动力学建模：基于扩展的Bergstrom-Boyce模型建立DEA的本构关系，并构建机器人逆动力学模型。4) 控制系统设计：根据逆动力学模型实现对机器人末端执行器的运动控制。5) 实验验证：通过实验测试验证机器人性能和模型的准确性。

关键创新：论文的关键创新在于：1) 提出了一种角行程放大机制，有效平衡了DEA的驱动力和行程之间的矛盾。2) 开发了一种基于激光扫描和光敏树脂混合导电颗粒的高稳定性电极制造方法，提高了电极的动态一致性。3) 将扩展的Bergstrom-Boyce模型引入到DEA的本构关系建模中，提高了逆动力学模型的预测精度。

关键设计：在机器人结构设计方面，采用了3D拼图条结构，在保证强度的同时减轻了重量。在电极制造方面，通过控制激光扫描参数和导电颗粒的比例来优化电极性能。在逆动力学建模方面，Bergstrom-Boyce模型的参数通过实验数据进行标定，以提高模型的准确性。

📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的逆动力学模型能够准确预测机器人的输出力和运动轨迹。当末端执行器保持静止时，机器人输出力的预测均方根误差（RMSE）为12.4%。轨迹跟踪实验表明，机器人能够很好地跟随目标轨迹，均方根误差小于2.5%。与传统方法相比，该研究在提高机器人精度和稳定性方面取得了显著进展。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于需要安全人机交互的精细操作领域，例如医疗手术机器人、康复机器人和柔性装配机器人。高精度和高稳定性的软体机器人能够执行复杂的操作，并降低对周围环境和人员的潜在风险。未来，随着DEA材料和制造工艺的进一步发展，此类机器人将在更多领域展现其应用潜力。

📄 摘要（原文）

Soft parallel robots with their manipulation safety and low commercial cost show a promising future for delicate operations and safe human-robot interactions. However, promoting the use of electroactive polymers (EAPs) is still challenging due to the under-improving quality of the product and the dynamic modelling of the collaborations between multiple actuators. This article presents the design, fabrication, modelling and control of a parallel kinematics Delta robot actuated by dielectric elastomer actuators (DEAs). The trade-off between the actuation force and stroke is retaken by an angular stroke amplification mechanism, and the weight of the robot frame is reduced by utilizing 3D puzzling strip structures. A generic way of constructing a high-stability conductive paint on a silicon-based film has been achieved by laser scanning the DE-film and then sandwiching a conductive particle-based electrode with a paint which is mixed by the particles and photosensitive resin. Compared to the wildly used carbon grease, the fabricated electrode shows a higher consistency in its dynamic behaviour before and after the on-stand test. Finally, to predict the output force and inverse motion of the robot end effector, we constructed the inverse dynamic model by introducing an expanded Bergstrom-Boyce model to the constitutive behavior of the dielectric film. The experimental results show a prediction of robot output force with RSME of 12.4% when the end effector remains stationary, and a well-followed trajectory with less than RSME 2.5%.