人工肌肉驱动的仿生六足软体机器人设计与实验研究

发布时间：2020-07-13 23:11

【摘要】：软体机器人作为融合了材料学、仿生学、工程学等多个学科领域的一种新兴机器人,其自身的柔顺性及拥有理论上无限多自由度的特点,在医疗康复、救援勘探等方面具有很大的应用前景,吸引了众多研究人员的目光。而利用气压、形状记忆合金(SMA)、介电弹性体驱动器(DEA)等驱动方式设计的软体机器人,大多面临着集成度低、输出力有限、成本高、环境适应性差等问题。聚合物螺旋卷绕型人工肌肉于2014年提出,具有能量密度高、迟滞小、成本低等优势,是柔性驱动技术领域的新贵。利用其作为驱动器进行仿生六足软体机器人的设计,便于实现机器人的轻量化集成,并可具备大负载运动及多种环境适应能力,能够进一步丰富软体机器人领域的内涵,拓宽聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的应用领域。本文通过阐述六足昆虫的运动方式,分析了六足软体机器人借鉴仿生三角步态实现运动的可行性;进行仿生六足软体机器人的结构设计优化,借助有限元分析软件ABAQUS进行机器人核心部件软体“足”的设计优化。鉴于制作软体“足”的硅胶材料属于超弹性体材料,采用三阶Yeoh模型仿真分析难以得到收敛解,提出了根据实验结果优化仿真分析参数只进行固定载荷分析的方法,成功解决仿真分析收敛的问题,实现了软体“足”的优化;并据此对聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的驱动性能提出了要求;建立软体“足”受人工肌肉驱动产生弯曲变形的理论模型,基于软体“足”变形曲率一致的假设,得到人工肌肉收缩量与软体“足”弯曲角度的关系;规划了机器人直线行走及转向行走的步态,并给出了相应的18路人工肌肉驱动时序。简要阐述了聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的致动机理,研究了聚合物螺旋卷绕型人工肌肉加工工艺对其性能的影响。针对单一纤维卷绕型人工肌肉,研究了加工负载、退火负载、退火次数对其驱动性能的影响;针对电热丝附着型人工肌肉,研究了电热丝种类、电热丝直径、电热丝与聚合物纤维配比对其驱动性能的影响;测试了经过工艺改进之后得到的单一纤维卷绕型人工肌肉与电热丝附着型人工肌肉的驱动性能,定量描述了人工肌肉的驱动特性,并最终得到了满足机器人运动需求的人工肌肉。从单根聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的驱动与温度闭环控制策略出发,进一步拓展到支持18路人工肌肉控制的仿生六足软体机器人硬件控制系统的实现策略,设计硬件控制电路图并制作集成电路板,实现了机器人控制系统硬件的小型化;利用3D打印技术及硅胶浇注技术,完成了机器人样机的零部件制作与整机装配;搭建了机器人样机的实验系统,测试了机器人地面直线行走、转向行走能力,带负载运动能力以及机器人水中运动的能力。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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