سينماتيك و ديناميك ربات مارمانند در حركت كرم‌مانند بر روي سطح شيب‌دار

Kinematics and Dynamics of a Snake Robot with Worm Like Locomotion on Inclined Surface

ربات‌هاي مارمانند نوعي از ربات‌ها با تعداد درجات آزادي بالا مي باشند كه از به هم پيوستن لينك‌هاي مشابه توسط مفاصل يك يا دو درجه آزادي تشكيل شده اند.اين ربات ها نسبت به ربات‌هاي داراي پا و يا چرخ ويژگي هاي زيادي دارند. در اين مقاله سينماتيك و ديناميك ربات مارمانند براي حركت كرم‌مانند، روي سطح شيب‌دار، براي اولين بار بررسي شده‌است. حركت كرم‌مانند از انواع حركتي است كه ربات مارمانند در صفحه‌ي عمودي انجام مي دهد. در ابتدا موقعيت، سرعت، شتاب و زواياي نسبي لينك‌ها با استفاده از منحني سرپنويد محاسبه و معادلات ديناميكي با توجه به سينماتيك ربات به كمك معادلات نيوتن به دست ميآيند. نيروي اصطكاك به عنوان تنها نيروي پيشروي با مدل كولمب، مدل مي شود. سپس به تاثير عواملي چون ضريب اصطكاك و زاويه‌ي سطح شيب‌دار پرداخته شده و نشان داده شده‌ است كه با افزايش اين دو ضريب، گشتاور مورد نياز افزايش مي يابد. براي تاييد معادلات سينماتيك و ديناميك ارايه‌شده، از روش لاگرانژ و نرم‌افزار تجاري وباتس استفاده شده است. هم‌چنين، از معادلات سينماتيك و ديناميك ارايه‌شده، مي توان براي توليد حركت‌هاي ديگر ربات مارمانند كه در صفحه‌ي عمودي اتفاق مي افتند نيز استفاده كرد. از طرف ديگراهميت هندسه‌ي لينك هاروي گشتاور موتورها نيز مورد بررسي قرار گرفته‌است. در انتها، به جزييات ربات مارمانند FUM- Snake 3 پرداخته شده است. آزمايش هاي عملي صورت‌گرفته با استفاده از اين ربات، نتايج نرم‌افزار وباتس و مدل ديناميكي را تصديق مي نمايد.

Snake robots are hyper-redundant robots that are connected with one or two DOF joints. They offer a number of potential advantages beyond the capabilities of most wheeled and legged robots. In this paper, kinematics and dynamics of a planar multi-link snake robot in worm-like locomotion on an inclined surface is investigated. In this locomotion, Snake robot is able to move in the vertical plane. Body shape and curvature function are used to determine the joint relative angles in accordance with the worm-like locomotion. Next, position, velocity and acceleration of each link as well as center of gravity of the snake body are calculated. Newton principle is used to derive the dynamic equations based on kinematics of the snake robot. Friction forces, as the only driving force is modeled using Coulomb friction. Effects of friction coefficient and angle of inclined surface on the joint torques are investigated. It is shown that by increasing these coefficients the motor torques also increase. Webots software and Lagrangian method are both used to verify the theoretical results. Additionally, kinematics and dynamics equation presented in this paper may be used to generate other locomotions in vertical plane. Effect of link geometrical shape on motor torques is also investigated. Finally, FUM-Snake3 robot and physical experiments are used to further validate the mathematical model.