Modelling, design and control of a bird neck using tensegrity mechanisms

International audienceIn birds, the neck exhibits remarkable performances and serves as a dextrous arm for performing various tasks. Accordingly, it is an interesting bioinspiration for designing new manipulators with enhanced performances. This paper proposes a preliminary bird neck model using several stacked tensegrity crossed bar mechanisms. It addresses several issues regarding kinetostatic and dynamic modelling, design and control

Prototype of a tensegrity manipulator to mimic bird necks

International audienceThis paper deals with the building of a 2D tensegrity mechanism. The considered mechanism is derived from the Snelson's X-shape mechanism and is used as an elementary part of the bird neck modelling. Indeed, an n-dof manipulator can be obtained by stacking in series n X-shape mechanisms. This paper explains the design and building process of a 1-dof prototype, both on hardware and software aspects, and will be used further to have experimental results on the dynamic modelling, control laws and ac-tuation strategy.Une structure de tenségrité est un assemblage d'éléments en compression (barres) et d'éléments en traction (câbles, ressorts) maintenus ensemble en équilibre [1],[2]. La tenségrité est connue en architecture et en art depuis plus d'un siècle [3] et est adaptée à la modélisation des organismes vivants [4]. Les mé-canismes de tenségrité ont été étudiés plus récemment pour leurs propriétés prometteuses en robotique telles que la faible inertie, la souplesse naturelle et la capacité de déploiement [5]. Un mécanisme de tenségrité est obtenu lorsqu'un ou plusieurs éléments sont actionnés. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet AVINECK, auquel participent des biologistes et des roboticiens dans le but principal de modéliser et de concevoir des cous d'oiseaux. En conséquence, une classe de manipulateurs de tenségrité planaire composée d'un assemblage en série de plusieurs mécanismes en X de Snelson [6], c'est-à-dire des mécanismes à quatre barres croisées avec des ressorts sur leurs côtés latéraux, a été choisie comme candidat approprié pour un modèle préliminaire plan d'un cou d'oiseau. Le prototype consiste en un mecanisme en X de Snelson. Les barres sont assemblées selon différents plans pour éviter les collisions internes. Le manipulateur est entraîné par des câbles parallèles aux res-sorts et traversant les axes grâce à des perçages. Chaque câble est attaché à un tambour. Le manipulateur est actionné par deux câbles, ce qui en fait un mécanisme antagoniste, dont on peut contrôler la raideur. Les pièces structurelles (barres, supports, tambours) sont imprimées en 3D en ABS. Chaque liaison pivot entre les barres et les axes est construite avec deux roulements qui assurent un centrage long, et toutes les pièces sont arrêtées axialement avec des colliers d'arbre. Nous avons décidé d'avoir une lon-gueur de barre transversale de 100 mm et une longueur de barre supérieure de 50 mm. Ces dimensions sont adaptées à plusieurs jeux de ressorts disponibles, c'est-à-dire que les ressorts considérés sont tou-jours en tension et ne sont pas trop étendus pour toutes les positions accessibles du manipulateur. Une fois la longueur et la raideur du ressort définies, le modèle statique est calculé afin d'obtenir la force d'entrée maximale pour les câbles. Cette force doit être suffisante pour actionner le mécanisme dans un grand espace de travail et pour résister aux chargements externes. La force appliquée par les câbles est directement liée au rayon du tambour et au couple du moteur. Le rayon du tambour influe également sur la vitesse de translation du câble. Un compromis est fait pour avoir des efforts et vitesses de câbles suffisants. Deux variateurs interagissent avec un microprocesseur sur lequel est programmé la loi de commande. Chaque moteur est équipé d'un codeur pour connaître la position réelle du mécanisme. Le bon compor-tement du mécanisme est assuré par une commande dynamique

Theoretical considerations on 3D tensegrity joints for the use in manipulation systems

This paper presents a comprehensive analysis of a three-dimensional compliant tensegrity joint structure, examining its actuation, kinematics, and response to external loads. The study investigates a baseline configuration and two asymmetric variants of the joint. The relationship between the shape parameter and the parameters of the tensioned segments is derived, enabling the mathematical description of cable lengths for joint actuation. Geometric nonlinear static finite element simulations are performed to analyze the joint's response under various load conditions. The results reveal the joint's range of motion, the effect of different stiffness configurations, and its deformation behavior under external forces. The study highlights the asymmetric nature of the joint and its potential for targeted motion restriction. These findings advance the general understanding of the behavior of the considered tensegrity joint and provide valuable insights for their design and application in soft robotic systems

Towards an ontology for soft robots: What is soft?

The advent of soft robotics represents a profound change in the forms robots will take in the future. However, this revolutionary change has already yielded such a diverse collection of robots that attempts at defining this group do not reflect many existing ‘soft’ robots. This paper aims to address this issue by scrutinising a number of descriptions of soft robots arising from a literature review with the intention of determining a coherent meaning for soft. We also present a classification of existing soft robots to initiate the development of a soft robotic ontology. Finally, discrepancies in prescribed ranges of Young’s modulus, a frequently used criterion for the selection of soft materials, are explained and discussed. A detailed visual comparison of these ranges and supporting data is also presented

Applicable Solutions in Non-Linear Dynamical Systems

From Preface: The 15th International Conference „Dynamical Systems - Theory and Applications” (DSTA 2019, 2-5 December, 2019, Lodz, Poland) gathered a numerous group of outstanding scientists and engineers who deal with widely understood problems of theoretical and applied dynamics. Organization of the conference would not have been possible without great effort of the staff of the Department of Automation, Biomechanics and Mechatronics of the Lodz University of Technology. The patronage over the conference has been taken by the Committee of Mechanics of the Polish Academy of Sciences and Ministry of Science and Higher Education of Poland. It is a great pleasure that our event was attended by over 180 researchers from 35 countries all over the world, who decided to share the results of their research and experience in different fields related to dynamical systems. This year, the DSTA Conference Proceedings were split into two volumes entitled „Theoretical Approaches in Non-Linear Dynamical Systems” and „Applicable Solutions in Non-Linear Dynamical Systems”. In addition, DSTA 2019 resulted in three volumes of Springer Proceedings in Mathematics and Statistics entitled „Control and Stability of Dynamical Systems”, „Mathematical and Numerical Approaches in Dynamical Systems” and „Dynamical Systems in Mechatronics and Life Sciences”. Also, many outstanding papers will be recommended to special issues of renowned scientific journals.Cover design: Kaźmierczak, MarekTechnical editor: Kaźmierczak, Mare