Решение обратной задачи кинематики для непрерывного робота через разбиение рабочей области

Непрерывные роботы —это гибкие роботы, способные маневрировать в пространствах со сложной геометрией, например внутри сложных устройств. Высокая маневренность непрерывных роботов обеспечивается за счет упругой деформации изгиба собственного тела робота и линейного смещения базы. Деформация изгиба может быть описана с использованием двух допущений: об отсутствии кручения и о кусочно-постоянной кривизне. Допущение об отсутствии кручения исключает деформацию кручения в роботе. Допущение о кусочно-постоянной кривизне позволяет описать форму изгиба нейтральной линии робота. Для этого секция изгиба разбивается на подсекции, нейтральная линия которых может быть представлена дугой круга. Однако такой подход усложняет решение обратной задачи кинематики, а наличие движимой базы также является препятствием для ее решения. В данной работе представлено решение обратной задачи кинематики для непрерывного робота с движимой базой и переменной кривизной, которое использует касательную прямую к рабочей области робота для нахождения смещения базы. Для определения касательной рабочая область робота разбивается на несколько участков. Каждому участку соответствует свой центр. Касательная определяется как перпендикуляр к прямой, проведенной через центр участка и точку рабочей области, для которой нужно определить касательную. Сравнение в численных экспериментах предложенного метода с аналогом показывает, что предложенный метод точнее определяет касательные и способен решить бóльшую долю задач обратной кинематики, чем аналог. 

1. Robinson G., Davies J. B. C. Continuum robots — a state of the art // Proceedings 1999 IEEE International Conference on Robotics and Automation (Cat. No.99CH36288C). IEEE, 2003. Vol. 4, May. P. 2849—2854.

2. Pistone A., Ludovico D., Dal Verme L. D. M. C., Leggieri S., Canali C., Caldwell D. G. Modelling and control of manipulators for inspection and maintenance in challenging environments: A literature review // Annual Reviews in Control. 2024. Vol. 57. P. 100949.

3. Dong X., Wang M., Mohammad A., Ba W., Russo M., Norton A., Kell J., Axinte D. Continuum Robots Collaborate for Safe Manipulation of High-Temperature Flame to Enable Repairs in Challenging Environments // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2022. Vol. 27, N. 5. P. 4217—4220.

4. Dong X., Axinte D., Palmer D., Cobos S., Raffles M., Rabani A., Kell J. Development of a slender continuum robotic system for on-wing inspection/repair of gas turbine engines // Robotics and computer-integrated manufacturing. 2017. Vol. 44. P. 218—229.

5. Dupont P. E., Simaan N., Choset H., Rucker C. Continuum Robots for Medical Interventions // Proceedings of the IEEE. 2022. Vol. 110, N. 7. P. 847—870.

6. Burgner-Kahrs J., Rucker D. C., Choset H. Continuum Robots for Medical Applications: A Survey // IEEE Transactions on Robotics. 2015. Vol. 31, N. 6. P. 1261—1280.

7. Hannan M. W., Walker I. D. Novel Kinematics for Continuum Robots // Advances in Robot Kinematics. Dordrecht: Springer Netherlands, 2000. P. 227—238.

8. Mahl T., Hildebrandt A., Sawodny O. A Variable Curvature Continuum Kinematics for Kinematic Control of the Bionic Handling Assistant // IEEE Transactions on Robotics. 2014. Vol. 30, N. 4. P. 935—949.

9. Adagolodjo Y., Renda F., Duriez C. Coupling Numerical Deformable Models in Global and Reduced Coordinates for the Simulation of the Direct and the Inverse Kinematics of Soft Robots // IEEE Robotics and Automation Letters. 2021. Vol. 6, N. 2. P. 3910—3917.

10. Chen Y., Wu B., Jin J., Xu K. A Variable Curvature Model for Multi-Backbone Continuum Robots to Account for Inter-Segment Coupling and External Disturbance // IEEE Robot Autom Lett. 2021. Vol. 6, N. 2. P. 1590—1597.

11. Melingui A., Merzouki R., Mbede J. B., Escande C., Benoudjit N. Neural Networks based approach for inverse kinematic modeling of a Compact Bionic Handling Assistant trunk // 2014 IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE). IEEE, 2014. P. 1239—1244.

12. Djeffal S., Mahfoudi C., Amouri A. Comparison of Three Meta-heuristic Algorithms for Solving Inverse Kinematics Problems of Variable Curvature Continuum Robots // 2021 European Conference on Mobile Robots (ECMR). IEEE, 2021. P. 1—6.

13. Колпащиков Д. Ю. Метод и алгоритмы обратной кинематики и планирования движения для многосекционных непрерывных роботов: Дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2023. 126 с.

14. Lu J., Du F., Zhang T., Wang D., Lei Y. An Efficient Inverse Kinematics Algorithm for Continuum Robot with a Translational Base // 2020 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). IEEE, 2020. P. 1754—1759.

15. Колпащиков Д. Ю., Гергет О. М. Решение обратной задачи кинематики для односекционного непрерывного робота с возможностью линейного перемещения // XVI Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2023). 2023.