基于柔性力感知技术的软体灵巧末端设计理论与实验研究

发布时间：2020-06-20 19:51

【摘要】：本文以面向可嵌入式多维全柔性力位感知及灵巧抓取为研究对象,围绕感知机构的多维力位感知特性及软体末端运动机构的多自由度弯曲特性进行了理论、仿真及实验研究。系统地从构型设计、理论建模、仿真优化、制造工艺、样机研制与实验研究等多方面展开研究,为全柔性多维力位感知的研究提供新的思路,为自感知灵巧末端的研制与应用奠定理论及实验基础。首先,基于液态敏感元件传感器的设计理念,对面向可嵌入式软体全柔性多维力位感知机构进行构型设计,提出了条形低耦合三维力位感知机构构型。基于理论建模及实验研究,探讨影响传感器灵敏度的构型因素,优化传感器的滞后性,总结机构的感知特性,构建出力位映射关系,完成理论与实验的对比。其次,开展面向灵巧抓取的双通道自感知机构理论建模方法研究。基于空间力系理论、超弹性材料近线性假设及常曲率假设理论,推导出矩形截面末端通用弯曲映射关系,并基于该方法建立灵巧末端双腔通入压力时的静力学及运动学表达式,建立弯曲及摆动与输入压力之间的映射关系,求解出建立的四指系统的工作空间。基于超弹性理论模型,结合实验结果,求出材料的Mooney及Yeoh模型,并结合有限元及实验方法完成了末端的运动性能研究。再次,构建自感知末端制造工艺体系,从模具设计出发,研究软体材料的调配方法,内部复杂气腔的成型原理,多通道敏感元件的集成,到整体的封装。通过电子显微镜对制造出的微通道进行微观测量,实验验证了面向全柔性传感器制造的微孔抽丝成型工艺的优越性。最终,完成了样机的研制。最后,搭建了多通道自感知软体机器人控制硬件系统,采用“上位机+单片机”结构,可同时实现8个通道的压力独立调节,能够采集16个通道的模拟电压,编写了基于MFC的上位机控制系统,可以实现压力控制、位置控制、通讯、数据采集模块及实验选择等功能。完成了三种基于自感知末端的实验研究,针对软体末端的弯曲方向,制定了两种PID算法,并面向末端抓取应用中压力测量,制定了抓取力测量算法,进行了两种弯曲角度情况下的实验验证。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH122
【图文】：

第 1 章 绪 论如图 1-1 所示。同时，根据该原理也制造出了可变颜色的软体仿生机器人[3]，如图 1-2 所示。此外，为了解决动力的问题，Tolley M.T 等人研制出了一种不受限制的移动机器人，该软体机器人可携带微型空气压缩机、电池、阀及控制器等元件。可达到 8kg 的有效负载，可适应在多种复杂环境上运动，如图 1-3 所示[4]。

第 1 章 绪 论如图 1-1 所示。同时，根据该原理也制造出了可变颜色的软体仿生机器人[3]，如图 1-2 所示。此外，为了解决动力的问题，Tolley M.T 等人研制出了一种不受限制的移动机器人，该软体机器人可携带微型空气压缩机、电池、阀及控制器等元件。可达到 8kg 的有效负载，可适应在多种复杂环境上运动，如图 1-3 所示[4]。

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