Modelagem cinemática e dinâmica de um manipulador tipo snake ARM

Abstract

Neste trabalho foram desenvolvidos modelos cinemáticos e dinâmicos para um manipulador Snake Arm com juntas esféricas atuado por quatro cabos. O modelo cinemático foi desenvolvido considerando a similaridade com robôs contínuos trabalhando sob a hipótese de curvatura constante por seção, junto com a cinemática diferencial inversa de primeira ordem. O modelo dinâmico foi construído via mecânica Lagrangeana para o caso planar com atuação de dois cabos, incluindo atrito, rigidez nas juntas e a propagação de tensões nos cabos. O modelo cinemático foi implementado em um pacote para o ROS 2, enquanto o modelo dinâmico foi implementado no MATLAB na forma de espaço de estados. Como resultados, o modelo cinemático foi utilizado para geração de trajetórias no espaço dos cabos, enquanto o modelo dinâmico foi comparado com a dinâmica de um protótipo de uma seção sob ação da gravidade, com identificação de parâmetros via um algoritmo de otimização heurística. Finalmente, os dois modelos foram comparados experimentalmente com relação à ângulos de juntas e posição previstas para flexão no plano. Os resultados mostram que o modelo dinâmico é capaz de reproduzir mais fielmente a flexão no plano, apesar de captar apenas parcialmente o comportamento dinâmico sob gravidade.

This work presents the development of kinematic and dynamic models for a Snake Arm manipulator with spherical joints driven by four cables. The kinematic model was developed considering the similarity between continuum robots with the constant curvature section hypothesis, including the first order differential inverse kinematics. The dynamical model was developed via Lagrangian mechanics for the in-plane bending case with two cable actuators, including friction effects, joint stiffnesses and tension propagation along the cables. The kinematic model was implemented in a ROS 2 package, while the dynamic model was implemented in MATLAB in state space form. As results, the kinematic model was used to generate trajectories in the cable space, while the dynamic model was compared with experimental results from a one section prototype under gravity, with parameter identification through a heuristic optimization algorithm. Finally, the two models were experimentally compared with relation to predicted joint angles and positions for in-plane bending. The results show that the dynamic model is able to reproduce more adequately the in-plane bending, although it can only partially predict the dynamic behavior under gravity.