Single Actuator Undulation Soft-bodied Robots Using A Precompressed Variable Thickness Flexible Beam
作者: Tung D. Ta
分类: cs.RO
发布日期: 2024-10-08
备注: Accepted to IROS 2024
💡 一句话要点
提出基于预压缩变厚度柔性梁的单驱动软体蠕动机器人方案
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软体机器人 蠕动运动 单驱动器 柔性梁 预压缩
📋 核心要点
- 软体机器人蠕动通常需要多个驱动器，增加了重量并限制了导航性能。
- 提出一种单驱动器柔性梁结构，通过预压缩和肌腱控制产生机械行波，实现蠕动。
- 实验研究了不同预张力下，肌腱预张力与电机控制的关系，验证了方案的可行性。
📝 摘要（中文）
软体机器人由于其固有的柔性，能够自适应地在非结构化环境中导航。蠕动是软体机器人中最常见的运动方式之一，类似于蛇、鳗鱼和秀丽隐杆线虫等细长生物的运动。通常，在软体机器人上实现蠕动需要多个驱动器来控制身体的每个部分。多个驱动器的额外重量限制了软体机器人的导航性能。本文提出了一种简单的肌腱驱动柔性梁，仅使用一个驱动器（直流电机）即可沿梁产生机械行波，从而支持软体机器人的蠕动。通过缩短两条肌腱的长度以形成S形，梁将沿其轴线预压缩，从而预张紧肌腱。电机将缠绕和解开肌腱，使柔性梁变形，并在机器人身体上产生行波。我们通过实验研究了不同的预张力，以表征肌腱预张力与直流电机缠绕/解开之间的关系。我们的方案能够简单地实现蠕动运动，从而支持软体机器人的运动。
🔬 方法详解
问题定义：现有软体机器人实现蠕动运动通常需要多个驱动器，这增加了机器人的重量和复杂性，限制了其在复杂环境中的导航能力。因此，需要一种更简单、更轻便的驱动方式来实现软体机器人的蠕动运动。
核心思路：本论文的核心思路是利用一根预压缩的变厚度柔性梁，通过单驱动器控制肌腱的缠绕和解开，产生机械行波，从而实现软体机器人的蠕动运动。预压缩的设计使得梁更容易弯曲变形，而变厚度设计可能用于优化波的传播特性。
技术框架：该软体机器人的整体架构包括：一个直流电机作为驱动器，两条肌腱连接到柔性梁的两端，以及一个预压缩的变厚度柔性梁。电机通过控制肌腱的长度，使柔性梁产生弯曲变形，从而产生行波。通过控制行波的频率和幅度，可以控制机器人的运动速度和方向。
关键创新：该论文的关键创新在于使用单驱动器和预压缩的柔性梁来实现软体机器人的蠕动运动。与传统的需要多个驱动器的方案相比，该方案大大简化了机器人的结构，降低了重量，提高了运动效率。预压缩的设计也是一个重要的创新点，它使得梁更容易弯曲变形，从而更容易产生行波。
关键设计：关键设计包括：柔性梁的材料选择（需要具有良好的柔性和弹性），梁的厚度变化设计（可能用于优化波的传播特性），肌腱的连接方式（需要保证肌腱能够有效地传递力），以及电机的控制策略（需要能够精确地控制肌腱的长度）。论文中提到实验研究了不同的预张力，这表明预张力是一个重要的参数，需要根据具体的应用场景进行优化。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过实验验证了单驱动器柔性梁结构实现蠕动运动的可行性。实验研究了不同预张力下，肌腱预张力与电机控制的关系，为优化机器人性能提供了数据支持。虽然论文中没有给出具体的性能数据和对比基线，但单驱动器设计的简化和轻量化是显著的优势。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于医疗机器人、管道检测机器人、搜救机器人等领域。单驱动器蠕动软体机器人具有结构简单、重量轻、运动灵活等优点，使其能够在狭窄、复杂和危险的环境中执行任务。未来，该技术有望进一步发展，实现更高效、更智能的软体机器人。
📄 摘要（原文）
Soft robots - due to their intrinsic flexibility of the body - can adaptively navigate unstructured environments. One of the most popular locomotion gaits that has been implemented in soft robots is undulation. The undulation motion in soft robots resembles the locomotion gait of stringy creatures such as snakes, eels, and C. Elegans. Typically, the implementation of undulation locomotion on a soft robot requires many actuators to control each segment of the stringy body. The added weight of multiple actuators limits the navigating performance of soft-bodied robots. In this paper, we propose a simple tendon-driven flexible beam with only one actuator (a DC motor) that can generate a mechanical traveling wave along the beam to support the undulation locomotion of soft robots. The beam will be precompressed along its axis by shortening the length of the two tendons to form an S-shape, thus pretensioning the tendons. The motor will wind and unwind the tendons to deform the flexible beam and generate traveling waves along the body of the robot. We experiment with different pre-tension to characterize the relationship between tendon pre-tension forces and the DC-motor winding/unwinding. Our proposal enables a simple implementation of undulation motion to support the locomotion of soft-bodied robots.