Dynamic modeling and experimental verification of a cable-driven continuum manipulator with cable-constrained synchronous rotating mechanisms

曲率 打滑(空气动力学) 平滑的 刚度 阻尼器 控制理论(社会学) 弯曲 计算机科学 结构工程 工程类 数学 几何学 航空航天工程 控制(管理) 计算机视觉 人工智能
作者
Xudong Zheng,Taiwei Yang,Xianjin Zhu,Zhang Chen,Xueqian Wang,Bin Liang
出处
期刊:Nonlinear Dynamics [Springer Nature]
卷期号:107 (1): 153-172 被引量:14
标识
DOI:10.1007/s11071-021-06989-w
摘要

The cable-driven segmented manipulator with cable-constrained synchronous rotating mechanisms is a new type of continuum manipulator, which has large stiffness and fewer motors, and thus exhibits excellent comprehensive performance. This paper presents a dynamic modeling method for this type of manipulator to analyze the effect of the friction and deformation of the cables on the dynamical behaviors of the system. First, the driving cables are modeled based on the ALE formulation, strategies to detect stick–slip transitions are proposed by using a trial-and-error algorithm, and the stiff problem of the dynamic equations is released by a model smoothing method. Second, the dynamic modeling method for rigid links is presented using quaternion parameters. Third, the connecting cables are modeled by torsional spring–dampers, and the frictions between the connecting cables and conduits are considered based on a modified Coulomb friction model. Finally, numerical results are presented and verified by comparison with the experiment results. The study shows that friction and cable deformation play an important role in the dynamical behaviors of the manipulator. Due to these two factors, the constant curvature bending of the segments does not remain.
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