Recently soft robotics has rapidly become a novel and promising area of research with many designs and applications due to their flexible and compliant structure. However, it is more difficult to derive the nonlinear dynamic model of such soft robots. The differential kinematics and dynamics of the soft manipulator can be formulated as a set of highly nonlinear partial differential equations (PDEs) via the classic Cosserat rod theory. In this work, we propose a discrete modeling technique named piecewise linear strain (PLS) to solve the PDEs of Cosserat-based models, based on which the associated analytic models are deduced. To validate the accuracy of the proposed Cosserat model, the static model of the conical cantilever rod under gravity as a simple example is simulated by using different discretization methods. Results indicate that PLS Cosserat model is comparable to the mechanical deformation behavior of real-world soft manipulator. Finally, a parameters identification scheme for this model is established, and the simulation as well as experimental validation demonstrate that using this method can identify the model physical parameters with high accuracy.


翻译:最近软机器人由于其灵活和符合要求的结构,迅速成为具有许多设计和应用的新颖和有希望的研究领域。然而,更难获得这种软机器人的非线性动态模型。软操纵器的不同动力学和动态学可以通过经典的Cosserat 杆理论,形成一套高度非线性局部方程式(PDEs)。在这项工作中,我们提议一种名为片断线性线性线性菌株(PLS)的离散建模技术,以解决基于Cosserat 模型的PDE,并据此推导出相关的解析模型。要验证拟议的Cosserat模型的准确性,使用不同分解方法模拟重力下锥形软棒的静态模型,作为简单的例子。结果显示,PLS Cosssrat模型可与真实世界软操纵器的机械变形行为相比。最后,为这一模型制定了参数识别方法,模拟和实验性验证表明,使用这一方法可以非常精确地确定模型物理参数。

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