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Composite continuum robots: Accurate modeling and model reduction

常曲率 曲率 运动学 反向动力学 机器人 算法 计算 反向 常量(计算机编程) 计算机科学 应用数学 数学 人工智能 几何学 经典力学 物理 程序设计语言
作者
Gang Zhang,Jing Su,Fuxin Du,Xingyao Zhang,Yibin Li,Rui Song
出处
期刊:International Journal of Mechanical Sciences [Elsevier BV]
卷期号:276: 109342-109342 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.ijmecsci.2024.109342
摘要

Models of continuum robots often trade off accuracy and speed. The constant curvature assumption model can perform fast calculations but with poor accuracy. Static models can obtain good calculation accuracy but with slower computation speed. In this paper, a precise and efficient method for establishing a non-constant curvature kinematic model for composite continuum robots is proposed. First, an algorithm based on the Beam Constraint Model is proposed to establish the static model of the continuum robot. The situation in which friction changes gradually in continuum robots is considered in the static model. Then, the Kepler elliptic curve is used to simplify the static model to build a non-constant curvature kinematic model of the continuum robot. Then, complex inverse kinematics solutions are transformed into explicit sets of equations by mathematical transformation. Finally, simulations and experiments are designed to demonstrate the algorithm proposed in this paper. The simulation results show that the proposed algorithm is 1572 times faster than the Levenberg–Marquardt algorithm. The experimental results show that the average error of the static model is 0.065 mm, accounting for 0.13% of its length. The maximum error is 0.309 mm, accounting for 0.618% of its length. The positioning accuracy of the non-constant curvature model proposed in this paper is 2.02 times that of the constant curvature model. The results show that the simplified kinematic model algorithm based on the static model has high accuracy and computational efficiency. This research is crucial for the practical application of continuum robots in engineering.
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