Modeling and Control for a Class of Tendon-Driven Continuum Mechanism

Zusammenfassung

This thesis contributes to the emerging field of soft material robots and treats modeling, state estimation and control for a special class of continuum mechanisms. The overall outcome of is a novel treatment of a continuum in robotics research. At first a description of the overall system as a tendon-driven multi-body system modeled by a nonlinear rigid-body dynamics is proposed. In combination with the introduced real-time pose and velocity estimation, nonlinear model-based control in real-time is possible. Furthermore, the structural properties of the model allow employing modern control methods for underactuated mechanical systems which are adapted to provide set point control for the upper platform. The developed methods in modeling, state estimation and control presented in this work are experimentally validated on a humanoid robot. Due to their promising results, this thesis lays the foundation for the use of tendon-driven continuum mechanisms as generic joint modules for modular robotic systems which may mark the beginning of a new generation of light-weight robots.

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Bibliographische Angaben

Auflage: 1/2020
Copyrightjahr: 2020
ISBN-Online: 978-3-95900-476-3
Verlag: TEWISS, Garbsen
Sprache: Deutsch
Seiten: 223
Produkttyp: Monographie

Inhaltsverzeichnis

KapitelSeiten

1. Preface Kein Zugriff
2. Abstract Kein Zugriff
3. Kurzfassung Kein Zugriff
4. Contents Kein Zugriff
5. List of symbols Kein Zugriff
1. 1. 1.1.1 Modeling of continuum mechanisms Kein Zugriff
  2. 1.1.2 State estimation of continuum mechanisms Kein Zugriff
  3. 1.1.3 Control of continuum mechanisms Kein Zugriff
2. 1. 1.2.1 Modeling Kein Zugriff
  2. 1.2.2 State estimation Kein Zugriff
  3. 1.2.3 Control Kein Zugriff
3. 1.3 Organization of the work Kein Zugriff
1. 1. 2.1.1 Elastic Continuum Mechanism Kein Zugriff
  2. 2.1.2 Tendon actuation system Kein Zugriff
2. 1. 2.2.1 Planar testbed Kein Zugriff
  2. 2.2.2 Spatial testbed Kein Zugriff
3. 2.3 Summary Kein Zugriff
1. 1. 3.1.1 Beam Kinematics Kein Zugriff
  2. 3.1.2 Head Kinematics Kein Zugriff
  3. 3.1.3 Constitutive equations Kein Zugriff
2. 1. 3.2.1 Internal forces Kein Zugriff
  2. 3.2.2 External forces Kein Zugriff
  3. 3.2.3 Dynamic forces Kein Zugriff
  4. 3.2.4 Summary Kein Zugriff
3. 3.3 Discretization Kein Zugriff
4. 1. 3.4.1 Identification process Kein Zugriff
  2. 3.4.2 Neo-Hookean compression stiffness Kein Zugriff
  3. 3.4.3 Planar System Kein Zugriff
  4. 3.4.4 Spatial system Kein Zugriff
5. 1. 3.5.1 Workspace analysis of the planar system Kein Zugriff
  2. 3.5.2 Dynamic characteristic of the planar system Kein Zugriff
  3. 3.5.3 Torsional workspace of the spatial system Kein Zugriff
  4. 3.5.4 Kinematic approximation of the spatial workspace Kein Zugriff
  5. 3.5.5 Computation time Kein Zugriff
6. 3.6 Summary Kein Zugriff
1. 4.1 Assumptions & model reduction Kein Zugriff
2. 1. 4.2.1 Admissible wrench set Kein Zugriff
  2. 4.2.2 Simulation Kein Zugriff
  3. 4.2.3 Experimental design Kein Zugriff
  4. 4.2.4 Experimental results Kein Zugriff
3. 1. 4.3.1 Motor dynamics Kein Zugriff
  2. 4.3.2 Tendon coupling Kein Zugriff
4. 4.4 Summary Kein Zugriff
1. 1. 5.1.1 Length sensors Kein Zugriff
  2. 5.1.2 Force torque sensor Kein Zugriff
  3. 5.1.3 Inertial measurement unit Kein Zugriff
2. 1. 5.2.1 Optimization algorithms Kein Zugriff
  2. 5.2.2 Reduced kinematic models Kein Zugriff
  3. 5.2.3 Six DoF kinematic model Kein Zugriff
3. 5.3 State estimation based on static models Kein Zugriff
4. 1. 5.4.1 State space equations Kein Zugriff
  2. 5.4.2 Extended Kalman Filter Kein Zugriff
  3. 5.4.3 Summary Kein Zugriff
5. 1. 5.5.1 Sensor accuracy and initialization Kein Zugriff
  2. 5.5.2 Reaching static poses Kein Zugriff
  3. 5.5.3 Actuated dynamic motion Kein Zugriff
  4. 5.5.4 Manual interaction Kein Zugriff
6. 5.6 Discussion and summary Kein Zugriff
1. 1. 6.1.1 Control structure Kein Zugriff
  2. 6.1.2 Set point generation Kein Zugriff
  3. 6.1.3 Desired performance Kein Zugriff
2. 6.2 Tendon tension control Kein Zugriff
3. 6.3 H-synthesis using a structured description of nonlinearities Kein Zugriff
4. 1. 6.4.1 Input Output Normal Form Kein Zugriff
  2. 6.4.2 Partial feedback linearization Kein Zugriff
  3. 6.4.3 Passivity based approach Kein Zugriff
5. 6.5 Feedforward compensation of the continuum Kein Zugriff
6. 1. 6.6.1 Experimental setup Kein Zugriff
  2. 6.6.2 Steady state accuracy Kein Zugriff
  3. 6.6.3 Transient behavior Kein Zugriff
  4. 6.6.4 External disturbances Kein Zugriff
7. 1. 6.7.1 Preliminary study: SISO systems Kein Zugriff
  2. 6.7.2 Application onto MIMO systems Kein Zugriff
8. 1. 6.8.1 Projection of pretensions Kein Zugriff
  2. 6.8.2 Generation of suitable set points Kein Zugriff
9. 6.9 Summary Kein Zugriff
7 Summary & outlook Kein Zugriff Seiten 175 - 182
1. A.1 Example 1: Planar system Kein Zugriff
2. A.2 Example 2: Spatial system Kein Zugriff
1. B.1 Experimental setup Kein Zugriff
2. 1. B.2.1 Pose measurement and calibration Kein Zugriff
  2. B.2.2 Wrench measurement and calibration Kein Zugriff
3. 1. B.3.1 Comparison of Planning Strategies Kein Zugriff
  2. B.3.2 Comparison of Control Strategies Kein Zugriff
Bibliography Kein Zugriff Seiten 207 - 223