In this work, a simulation model for the optimal control of dielectric elastomer actuated flexible multibody dynamics systems is presented. The Dielectric Elastomer Actuator (DEA) behaves like a flexible artificial muscles in soft robotics. It is modeled as an electromechanically coupled geometrically exact beam, where the electric charges serve as control variables. The DEA-beam is integrated as an actuator into multibody systems consisting of rigid and flexible components. The model also represents contact interaction via unilateral constraints between the beam actuator and e.g. a rigid body during the grasping process of a soft robot. Specifically for the DEA, a work conjugated electric displacement and strain-like electric variables are derived for the Cosserat beam. With a mathematically concise and physically representative formulation, a reduced free energy function is developed for the beam-DEA. In the optimal control problem, an objective function is minimized while the dynamic balance equations for the multibody system have to be fulfilled together with the complementarity conditions for the contact and boundary conditions. The optimal control problem is solved via a direct transcription method, transforming it into a constrained nonlinear optimization problem. The beam is firstly semidiscretized with 1D finite elements and then the multibody dynamics is temporally discretized with a variational integrator leading to the discrete Euler-Lagrange equations, which are further reduced with the null space projection. The discrete Euler-Lagrange equations and the boundary conditions serve as equality constraints, whereas the contact constraints are treated as inequality constraints in the optimization of the discretized objective. The effectiveness of the developed model is demonstrated by three numerical examples, including a cantilever beam, a soft robotic worm and a soft grasper.


翻译:在这项工作中,演示了一个模拟模型,以优化控制电动弹性体动变软的离心体动态系统。 电动 Elastomer动作器(DEA)在软机器人中表现得像一个灵活的人工肌肉。 它以电荷作为控制变量的电机与几何精确光束模型进行模型化, 电荷作为驱动器被纳入由僵硬和灵活组件构成的多机体系统。 该模型还代表了通过单方限制来优化对离心电动振动变动的离心机、 软机器人捕捉过程中的僵硬体。 具体为 DEA, 一个工作相交电动变异的电动肌肉。 以数学简洁和物理代表的形式,为Baam- DEA 开发了减少的自由能源功能。 在最佳控制问题中, 目标功能被最小化, 多体系统动态平衡方程式与接触和边界条件的互补条件一起被满足。 最优化的控制问题通过直接的平面平面平面平面的平面变法, 以直接的平流法将它转化为平面平面的平面的平面的平流法,, 将它变成一个压的平面变的平面的平面变的平面的平面法, 以一个压法, 以一个压的平面的平面的平面的平流法被显示的平的平的平的平的平的平的平的平的平的平的平。

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