柔性人工肌肉驱动的可变形机构及其运动控制研究

发布时间：2020-11-20 14:04

　　 张拉机构是一种由柔性绳和刚体杆组成的可变形机构,属于一种非常灵活的多自由度欠驱动的柔性机构。张拉机构的种类有很多种,例如标准的三棱柱张拉机构,四杆张拉机构等。张拉机构的运动可以有两种方式:蠕动和翻滚。蠕动的运动方式所有的类型的张拉机构都可以实现,即对接触地面的节点进行特殊处理,使其在机构交替变形的过程中可以蠕动前进。而翻滚的运动方式是张拉机构更为自然的一种运动方式,且在环境适应性和运动性能方面具有更多的优势。而六杆张拉机构拥有接近于球形的外形,更适合做翻滚运动。除此之外,六杆张拉机构自身能够进行折叠以减少其占用空间,这也是张拉机构相比传统机构的一个比较大的优势。对张拉机构进行折叠处理后,更加便于存储和运输。因此,其在太空探索的过程中也有极高的应用价值。本文以六杆张拉机构为研究对象,首先进行了找形研究,对其构型进行了数学描述,建立了六杆张拉机构的拓扑图;针对六杆张拉机构的特性,采用了聚合物螺旋卷绕型人工肌肉(TCA)作为其驱动器;根据节点平衡方程建立了柔性人工肌肉的驱动性能参数和六杆张拉机构的重心变化之间的数学模型;从数学的角度阐述了六杆张拉机构的滚动原理,给出了重力矩的定义并针对重力矩提出了六杆张拉机构发生翻滚的临界条件;并根据机构拓扑图进行了对机构的滚动步态研究;完成了六杆张拉机构的杆绳结构设计。采用了开源软件NTRTsim对六杆张拉机构进行仿真。介绍了NTRTsim的仿真架构和杆绳的模型,在NTRTsim仿真环境中使用C++来编程实现了六杆张拉机构的建模,并对前述的找形问题结果进行了对比验证;阐述了张拉机构的折叠原理,通过理论分析确定了平面型折叠和捆束型折叠的驱动器组合方式;将采用的人工肌肉的物理性能参数添加到驱动绳模型仿真中,实现了平面型变形和捆束型变形的效果;作为二级张拉机构在仿真环境中能够达到18.5°的弯曲效果;确定了实现连续翻滚的驱动器控制时序,在NTRTsim软件中完成了单步态仿真和连续翻滚仿真。设计实验进行了六杆张拉机构折叠变形和翻滚两方面的验证。首先是无源温度控制折叠实验的样机制作和实验台搭建,使机构达到了平面型折叠和捆束型折叠的预期效果,并对其进行了驱动负载性能测试和支撑性能测试,结果表明六杆张拉机构在150℃时即可从156mm的高度状态下折叠至平面,又可以在承载900g的负载时高度增加至201.38mm,承载重量是其自身重量的11.38倍;完成了主动温度控制的六杆张拉机构的驱动电路的设计和样机制作,实现了六杆张拉机构翻滚的开环控制,使其按照直线轨迹和拐弯轨迹进行翻滚。其直线翻滚一周需150s,单个拐弯角度为89°,相关成果为后续实现六杆张拉机构翻滚运动的复杂路径规划提供了参考依据。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH112
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文构如图 1-2 所示。同手性人工肌肉指的是制作好的作时卷绕的方向相同，这种人工肌肉在受热时会收异手性人工肌肉指的是线圈的空间螺旋特征与纤维升高产生伸长变形。

图 1-3 同手性人工肌肉随温度升高产生收缩变形018 年 4 月，Hyungeun Song 等人设计了一种通过电加热和强制进行热循环的高性能聚合物卷绕型人工肌肉，并给出了相关的大提高了人工肌肉的响应特性[10]，如 1-4 图所示。

图 1-2 不同结构形式人工肌肉受热变形情况图 1-3 同手性人工肌肉随温度升高产生收缩变形，Hyungeun Song 等人设计了一种通过电加热环的高性能聚合物卷绕型人工肌肉，并给出了人工肌肉的响应特性[10]，如 1-4 图所示。
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本文编号：2891523