Kinematic Modeling and Control for an Elephant-Trunk Soft Manipulator Considering Hysteresis

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作者
Huai Xiao,Xuzhi Lai,Qingxin Meng,Jinhua She,Edwardo F. Fukushima,Min Wu
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:20 (9): 11318-11328
标识
DOI:10.1109/tii.2024.3403250
摘要

Soft manipulators have been widely developed due to their manipulation safety, design versatility, and motion dexterity. However, accurate kinematic modeling and control of soft manipulators are still challenging due to the complex nonlinear hysteresis in their motion characteristics. This article presents the fabrication of an elephant-trunk-inspired soft manipulator (ESM) using pneumatic bellows actuators (PBAs) and proposes a kinematic modeling and control method considering hysteresis. The ESM contains three soft arms and a pneumatic claw, while each soft arm consists of four PBAs connected in parallel. The forward kinematics of the ESM are modeled using the piecewise constant curvature (PCC) method. The kinematic model of the ESM consists of three parts: actuator space, configuration space, and task space. To address the inability of the PCC method to characterize the nonlinearity of soft materials, the hysteresis of the PBA in the actuator space is modeled using the Prandtl–Ishlinskii model. The inverse kinematic model of the ESM is derived from its forward kinematic model, and on this basis, a feedforward controller is developed to achieve position control of the ESM. The positional workspace of the ESM is analyzed using the Monte Carlo method. The validity of the kinematic model is verified experimentally. Position control and application experiments are conducted to demonstrate the practical application of the ESM.

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