Screw-based kinetostatic analysis of a soft robotic manipulator

Abstract

O mundo moderno tem demonstrado cada vez mais a importância do desenvolvimento de robôs para realização de trabalhos complexos e perigosos para os seres humanos. Por este motivo, a robótica tem influenciado cada vez mais em trabalhos e na vida cotidiana. Robôs eliminam trabalhos perigosos para os seres humanos por possuírem a capacidade de atuar nesses ambientes nocivos, manipulando substâncias tóxicas, cargas elevadas ou realizando trabalhos repetitivos. Novas aplicações estão sendo estudadas com uma categoria de robôs denominados soft robots, ou robôs flexíveis. Os soft robots, diferente dos robôs tradicionais que possuem elos rígidos, possuem elos flexíveis o que possibilita utilizá-los em uma ampla gama de novas aplicações. Em geral os robôs flexíveis possuem a habilidade de interagir com maior segurança entre seres humanos, maior capacidade de manobrar entre obstáculos e passar por pequenos orifícios. Essas capacidades são importantes em operações onde o robô possui contato com seres humanos, como cirurgia robótica e tarefas colaborativas. Porém, para terem um impacto significativo em aplicações do mundo real, essas novas tecnologias devem primeiro fazer uma transição para fora dos laboratórios e para dentro do ambiente industrial. A maioria dos robôs apresentam problemas para controle e posicionamento das ferramentas acopladas ao efetuador final e baixa capacidade de rigidez em função do material elástico aplicado para construção do robô. Essas características implicam em dificuldade de estabelecer um modelo matemático que defina o posicionamento do efetuador final do robô. Além disso, muitos trabalhos propõem modelos matemáticos para resolver a posição da ponta do manipulador, mas pouco se encontra na literatura sobre uma metodologia que permita resolver o problema de forma sistemática. Outro ponto discutido nessa tese é a utilização de um framework matemático para solução de problemas robóticos e que de tal forma possa ser aplicado para solução cinemática e dinâmica. Nesse contexto, o objetivo desse estudo é o desenvolvimento de uma metodologia baseada em teoria de helicoides para solução da cinemática e estática de robôs flexíveis, com o intuito de validação e avaliação de desempenho, podendo a metodologia (sistemática) proposta ser estendida sua aplicação a outros tipos de robôs flexíveis ou até mesmo rígidos. O comportamento mecânico do robô é solucionado com a aplicação de um único vetor denominado helicoide de deflexão. O método de Davies com o método de fator de escala são aplicados para análise da capacidade de força de um robô flexível. O estudo proposto é aplicado para um robô flexível específico, entretanto, não existem razões para que essa metodologia não possa ser aplicada para outros tipos de robôs flexíveis ou até robôs com elos rígidos.

Abstract: The modern world has increasingly demonstrated the importance of developing robots to perform complex and dangerous works for humans. For this reason, robotics has influenced every aspect of work and daily life. Robots eliminate dangerous works for humans, because they have the ability of working in hazardous environments, handling toxic substances, lifting heavy loads, or doing repetitive tasks. With a new category of robots growing, with flexible links, different from traditional robots with rigid links, new applications are been explored. In general a soft robot has the ability to safely interact with humans, the ability of maneuverability between obstacles and to pass through narrow openings. These capabilities are important in tasks where the robot has the contact with human bodies, such as robotic surgery and collaborative tasks. However, to have a significant impact on real-world applications, these new technologies must first transition out of laboratories to the industrial area. Most robots have problems with the control and positioning of tools attached to the end effector and low stiffness capabilities due to the elastic material applied to the construction of the robot. These characteristics imply difficulty in establishing a mathematical model that defines the positioning of the robot end effector. In addition, many studies propose mathematical models to solve the position of the manipulator tip, but little is found in the literature on a methodology that allows solving the problem in a systematic way. Another point discussed in this thesis is the use of a mathematical framework for the solution of robotic problems, which in such a way can be applied to kinematic, static and later dynamic problems. In this context, the objective of this study is the development of a methodology based on screw theory to solve the kinematic and static of soft robots, in order to validate and evaluate the performance. The proposed methodology (systematic) can be extended to other types of soft or even rigid robots. The mechanical behavior of the robot is solved with the application of a single vector called deflection screw. The Davie's method with the scale factor method is applied to analyze the force capabilities of a soft robot. The proposed study is applied to a specific flexible robot, however, there are no reasons why this methodology cannot be applied to other types of soft robots or even robots with rigid links.