Kinematic Synthesis and Analysis for Soft Robots with Compliant Mechanisms Using Fuzzy Logic and Neural Networks
No Thumbnail Available
Date
2025
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Saudi Digital Library
Abstract
This dissertation presents a novel framework for the kinematic synthesis and analysis of Compliant Mechanisms (CMs) that leverages fuzzy logic and neural networks to address inherent uncertainties in their design and behavior. Traditional deterministic and probabilistic methods often fail to capture the full spectrum of CM performance or are computationally prohibitive.
The core contribution is the development of a Fuzzy-Kinematic Synthesis Framework that reformulates mechanism design using fuzzy arithmetic. The classic Freudenstein's equation is transformed into a parametric fuzzy form, treating input and output angles as Triangular Fuzzy Numbers (TFNs) to enable region-based synthesis. Solving these equations yields fuzzy link lengths—defined regions encompassing all viable mechanism configurations. This framework quantifies performance uncertainty through a "Function Spread" metric, derived from the fuzzy output.
Building on this, an Envelope-Driven Control Methodology is developed. Forward and Inverse Kinematic Envelopes define the achievable workspace and input-output relationships. Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS) are applied to serve as efficient surrogates for kinematic problems, drastically reducing computational cost. A Mamdani-type Fuzzy Inference System enables generative design within the performance boundaries, creating adaptable systems from a single mechanism. The methodology demonstrates closed-loop control by synthesizing inputs to trace arbitrary paths within the positional envelope.
The framework is validated through detailed case studies, including a compliant surgical grasper. Results show efficient handling of kinematic complexity, design optimization via performance envelopes, and robust prediction for mechanisms with complex sensitivity profiles.
Description
تقدم هذه الأطروحة إطار عمل مبتكرًا للتوليف والتحليل الحركي للآليات المرنة، والذي يستفيد من المنطق الضبابي والشبكات العصبية لمعالجة عدم الدقة الملازم لها مما يفرض وجود السماحية في تصميمها وسلوكها. غالبًا ما تفشل الطرق الحتمية والاحتمالية التقليدية في التقاط النطاق الكامل لأداء الآليات المرنة أو تكون باهظة من الناحية الحسابية.
تتمثل المساهمة الأساسية في تطوير إطار عمل للتوليف الحركي الضبابي يعيد صياغة تصميم الآلية باستخدام الحساب الضبابي. تم تحويل معادلة فرويدنشتاين الكلاسيكية إلى صيغة ضبابية بارامترية، مع معاملة زوايا الدخل والخرج كأعداد ضبابية مثلثية لتمكين التوليف القائم على المنطقة. ينتج عن حل هذه المعادلات أطوال وصلات ضبابية—وهي مناطق محددة تشمل جميع تكوينات الآلية الممكنة. يقوم هذا الإطار بتحديد مقدار عدم اليقين في الأداء من خلال مقياس "انتشار الدالة"، المشتق من المُخرَج الضبابي.
بناءً على ذلك، تم تطوير منهجية تحكم موجهة بالمغلفات. تحدد المغلفات الحركية الأمامية والعكسية مساحة العمل الممكن تحقيقها وعلاقات المدخلات والمخرجات. يتم تطبيق أنظمة الاستدلال العصبي الضبابي التكيفي (ANFIS) لتكون بمثابة بدائل فعالة للمسائل الحركية، مما يقلل بشكل كبير من التكلفة الحسابية. يتيح نظام الاستدلال الضبابي من نوع ممداني التصميم التوليدي ضمن حدود الأداء، مما يخلق أنظمة قابلة للتكيف من آلية واحدة. توضح المنهجية التحكم في حلقة مغلقة عن طريق توليف المدخلات لتتبع مسارات عشوائية داخل المغلف الموضعي.
تم التحقق من صحة إطار العمل من خلال دراسات حالة مفصلة، بما في ذلك ماسك جراحي مرن. تظهر النتائج معالجة فعالة للتعقيد الحركي، وتحسين التصميم عبر مغلفات الأداء، وتنبؤًا قويًا للآليات ذات ملفات الحساسية المعقدة.
Keywords
Compliant Mechanisms, Dimensional Synthesis, Function Generation, Fuzzy Logic, Newton Method, Triangular Fuzzy Numbers (TFN)