適用於機器人應用的可變徑向欠驅動幾何順應 (UGC) 模組的開發

核心概念

本文介紹了一種新型欠驅動幾何順應 (UGC) 模組，該模組能夠改變半徑以適應環境，並探討了其在機器人應用中的潛力，特別是在需要靈活性和安全性的受限環境中。

摘要

簡介
本文介紹了一種新型欠驅動幾何順應 (UGC) 機器人，並研究了具有可變徑向剛度的欠驅動順應模組的行為，旨在增強 UGC 機器人的多功能性和功能性。
幾何順應關節設計與測試
本節深入研究了各種幾何關節設計的順應性和靈活性。通過檢查幾何形狀如何影響關節剛度和恢復，我們為理解實現可變半徑模組設計所需的最佳組合奠定了基礎。此外，我們還探討了如何輕鬆 3D 打印整個模組。
UGC 機構建模
關節剛度和回位角建模
在本節中，我們使用高斯過程回歸 (GPR) 方法對目標關節的剛度和回位角進行建模。這種 GPR 允許我們擁有兩個模型，即多輸入非線性模型：a) 輸入為厚度和角度，輸出為力。b) 輸入為厚度和給定角度，輸出為潛在恢復/回位角。請注意，多項式曲線擬合的局限性要求我們轉向使用高斯回歸，因為它在值預測方面提供了更高的準確性。這使得我們能夠精確計算各種設計的力需求，確保最佳功能。
具有關節連接的圓形模組建模
為了獲得連接分佈式幾何順應關節的通用計算，即電機 τm 對 n 個連接梁/電纜段所需的扭矩，我們可以將其定義為左右子段力的總和，Fi = Fl + Fr（參見圖 12 的示例），結果為：
τm = Fmrm = 1rm"n∑i=1Fi#，
其中 rm 是集中旋轉致動器的半徑。請注意，彈簧的軸向和角向變形會使剛度行為和半徑變化變得複雜。因此，所需的力將根據模組 Rg 的近似圓周半徑而有所不同。接下來，要使用圖 10(a) 確定每個部分的力 Fi（具有對稱子部分），其中包含一系列 i 個彈簧 ki，得到以下方程式：
Fi = Fl + Fr ≈2"m∑i=1ki∆θR(t)#，
其中 ∆θ = θi −θi−1 和 R(t) ∈[rm, Rg] 是第一個、最後一個彈簧之間的相對角度變化，以及模組的外半徑變化。另請注意，每個彈簧剛度為 ki = τi/∆θ = (R(t)Fi)/∆θ。
欠驅動幾何順應模組
在本節中，我們將介紹我們最終完成的單個 3D 打印 UGC 模組，並比較它們的結果。最後，我們將討論我們 UGC 模組開發的成功之處，並分析它們的行為。
被動設計與測試
我們的第一個設計如圖 11 所示，它使用彎曲的關節和中心有兩個電纜連接。這種設計需要很大的力量來驅動，並且不能有效地減小半徑。這是因為形狀的變化導致部分幾何形狀向外膨脹，而其餘部分則向內移動。我們的目標是根據梁/電纜的收縮來減小模組的 Rg 外半徑。
主動設計與評估
對於以致動器為 UGC 模組的最終成功原型，目標是實現直徑減少約 80-85%，以證明 UGC 模型的有效性。根據分層測試設計和使用被動模組進行的實驗，我們確定採用 5 段環（如圖 14 所示）將能夠在整個環中實現更一致的變形，這得益於我們在垂直方形波模式方面的經驗（如圖 13 所示）。初始直徑設定為 200 毫米，這主要是由於 3D 打印機打印平台的限制。為了防止先前原型中出現的彎曲，我們打印了兩層這樣的環，並使用垂直連接器將它們連接在一起，這些連接器將相互插入並保持集中式致動器在模組整體的中心位置保持適當的平衡。這也將允許結構內部的空間更好地集成電機安裝組件。
結論
本研究首先考察了不同的順應性幾何關節。隨後，我們介紹了一種能夠調整其半徑的新型欠驅動幾何順應 (UGC) 模組。最終的原型成功地將其初始值減少到了 80-85%。此外，該研究還仔細分析了順應性關節的各種幾何形狀，優化了設計，以最大限度地減少驅動部件，同時增強強度和驅動一致性。這些成果證明了這些方法的有效性，突出了它們在混合系統中集成軟機器人和硬機器人方面的重要性。這種集成特別有利於蛇形機器人，增強了它們適應周圍環境的能力。

統計資料

最終 UGC 原型成功將其初始半徑減少了 80-85%。
該模組由 5 個重複模組組成，每個模組佔 36 度角。
為了實現所需的半徑減小，每個關節需要彎曲特定的角度。
系統中共有 40 個關節，每個關節需要 1.05 牛頓的驅動力。
電機使用的軸半徑為 3 毫米，以防止扭轉損壞。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Development of Underactuated Geometric Compliant (UGC) Module with Variable Radial for Robotic Applications

by Mark Krysov,... 於 arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05418.pdf

深入探究

UGC 模組的設計如何應用於其他類型的機器人或機電系統？

UGC 模組設計的精髓在於其變徑能力以及對較少致動器的依賴。這種特性可以應用於多種機器人或機電系統，而不僅限於蛇形機器人。以下列舉一些潛在應用：

夾持與抓取: UGC 模組可以構成可變形的夾爪，通過改變自身半徑來適應不同形狀、尺寸和材質的物體。相較於傳統剛性夾爪，這種設計能夠更安全、溫和地抓取易碎物品。
可穿戴設備: UGC 模組可以應用於可穿戴輔助設備，例如外骨骼或康復機器人。其柔順性和變形能力可以更好地貼合人體，提供更舒適、自然的穿戴體驗，並根據使用者需求調整輔助力度和運動範圍。
探索和檢查: UGC 模組可以整合到探索機器人中，用於在狹窄、複雜的環境中導航，例如管道、縫隙或廢瓦礫堆。其變形能力可以幫助機器人克服障礙，適應環境變化，並到達傳統機器人難以觸及的區域。
醫療器械: UGC 模組在醫療領域也具有廣闊的應用前景，例如微創手術器械、內窺鏡和可植入設備。其微型化設計和柔順性可以減少手術創傷，提高手術精度，並降低對患者的損害。
總而言之，UGC 模組設計理念可以拓展到各種需要柔順性、變形能力和輕量化設計的機器人或機電系統中，為解決實際問題提供新的思路和解決方案。

在現實世界的應用中，UGC 模組的耐用性和可靠性如何？

儘管 UGC 模組在實驗室環境中展現出巨大潛力，但在現實應用中，其耐用性和可靠性仍面臨挑戰：

材料疲勞: UGC 模組的變形能力依賴於材料的彈性形變。然而，反覆的變形會導致材料疲勞，最終導致模組失效。材料選擇、設計優化和疲勞分析對於提高 UGC 模組的耐用性至關重要。
環境影響: 現實環境中的溫度變化、濕度、灰塵和化學物質都可能影響 UGC 模組的性能和壽命。選擇耐受性強的材料，並設計密封性良好的結構對於應對這些挑戰至關重要。
控制精度: UGC 模組的變形通常由致動器驅動。控制系統的精度和響應速度直接影響模組的運動精度和穩定性。開發高效、穩定的控制算法對於 UGC 模組的可靠運行至關重要。
製造工藝: UGC 模組的製造需要精密的加工和組裝技術。製造過程中的誤差會影響模組的性能和可靠性。開發標準化、可重複的製造工藝對於 UGC 模組的批量生產至關重要。
總而言之，UGC 模組的耐用性和可靠性是其走向實際應用的關鍵因素。通過材料科學、設計優化、控制技術和製造工藝的進步，可以克服這些挑戰，推動 UGC 模組在更廣泛的領域得到應用。

UGC 模組的發展如何推動軟機器人技術的進步及其在不同領域的應用？

UGC 模組的發展為軟機器人技術帶來了新的突破，其影響主要體現在以下幾個方面：

設計理念的革新: UGC 模組將剛性結構和柔性材料相結合，實現了結構的簡化和功能的提升。這種設計理念為軟機器人設計提供了新的思路，打破了傳統剛性機器人的設計局限。
功能的多樣化: UGC 模組的變徑能力和柔順性使其能夠適應複雜多變的環境，執行多樣化的任務，例如抓取、移動、探索等。這極大地拓展了軟機器人的應用場景。
控制的簡化: UGC 模組通常採用欠驅動設計，即使用較少的致動器來控制多個自由度。這簡化了控制系統的複雜度，降低了控制成本，提高了控制效率。
UGC 模組的發展推動了軟機器人在以下領域的應用：

醫療保健: UGC 模組可以應用於微創手術機器人、康復機器人和輔助設備，為患者提供更安全、舒適和有效的治療方案。
工業製造: UGC 模組可以應用於柔性夾爪、可變形機器人和自動化生產線，提高生產效率和產品質量，並降低生產成本。
服務機器人: UGC 模組可以應用於家庭服務機器人、娛樂機器人和教育機器人，為人們提供更智能、便捷和個性化的服務。
災害救援: UGC 模組可以應用於搜救機器人、探測機器人和危險環境作業機器人，在災害現場執行搜救、探測和清理等任務。
總而言之，UGC 模組的發展為軟機器人技術的進步和應用提供了新的動力，將推動軟機器人技術在更多領域發揮重要作用。