基于形状记忆合金的软体机器人设计与实验

发布时间：2020-08-22 14:13

【摘要】：软机器人通常由柔软的材料制作而成,可以在大范围内任意改变其形状和尺寸,在侦察、探测、救援及医疗等领域有广阔的应用前景。与传统的刚性机器人相比,软体机器人有许多优点:它具有更好的环境适应性,可以通过变形与障碍物相容;可以通过主动变形使机器人处于不同的形态并实现运动;主动变形与被动变形相结合,机器人可以穿过比自身形态尺寸小的缝隙,进入传统机器人无法进入的空间;能够模仿自然界中动物的运动模式,适应人类不能到达的环境,扩大人类的探索领域,是未来机器人发展的新方向。随着科技的不断进步,智能材料的不断发展,采用与动物肌肉性能相似、具有传感功能的智能材料制成机器人的驱动结构,具有结构简易、环境适应性好、低噪声以及能够主动产生复杂运动等优点,因此逐步成为软体机器人未来的发展趋势。为了将形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)应用到软体机器人结构中,对SMA的力学特性进行了分析,给出了SMA弹簧的制作与设计方法,为了得到SMA弹簧的加热电流、载荷、输出位移以及恢复速度的关系,搭建实验平台进行实验研究,实验结果表明,所设计的SMA弹簧的有效位移随着载荷的增加而增加,在负载超过0.32 N时有效位移随着载荷的增大而减小;增大加热电流,能够大幅度的提高SMA弹簧的恢复速度;SMA弹簧的恢复速度与加热电流成正比与负载载荷成反比;SMA弹簧的响应速度受冷却速度的影响,冷却过程中的速度与加热电流的大小无关,与负载的成正比;测试了SMA弹簧的力学性能,为机器人的研制奠定了基础。根据尺蠖运动规律设计了一种新型软体机器人,模仿尺蠖躯干设计能实现弯曲变形的躯干结构,采用SMA弹簧模拟尺蠖肌肉对躯干结构进行驱动。软体机器人是通过对SMA弹簧进行周期性通断电流,利用前足和后足刚毛的摩擦差模仿尺蠖运动规律实现连续运动。制作了软体机器人样机,并采用实验方法确定软体机器人控制参数。搭建实验测试系统,机器人分别放置在橡胶垫、木板、纸板上进行运动实验,实验结果表明,电流频率与占空比对软体机器人爬行速度有较大影响,三种表面上的最快爬行速度均发生在频率0.14 0.16 Hz、占空比25% 30%范围之内,机器人最大爬行速度可达到3.43 mm/s;所设计软体机器人适合于较软和粗糙的表面上爬行,但不适宜于在较硬且较光滑的表面爬行。所设计软体机器人能仿生尺蠖运动进行运动,说明了所设计的软体机器人的可行性,为软体机器人设计提供新的思路。为了提高仿尺蠖软体机器人的爬行速度,对多其进行结构改进,设计了一种快速爬行的仿尺蠖软体机器人。通过增加驱动电流,提高弯曲阶段的速度,通过增加躯干的刚度,提高伸直阶段的速度,将两者相结合以提高软体机器人的响应速度。为了验证设计思路的有效性,设计刚度更大的躯干结构代替柔软的硅胶表皮,使其在弯曲变形过程中能够获得更大的回弹力,通过对机器人变形过程中的受力分析,结合电热模型、SMA弹簧模型得到机器人加热时间与单周期位移的模型;制作机器人样机以进行实验验证,结果表明单周期位移模型的仿真结果与实验结果基本一致;通过实验测试系统对机器人的爬行性能进行实验研究,实验结果表明改进后机器人在频率为0.17-0.18Hz、占空比为27.5-32%的区域内可获得最快爬行速度,为4.1 mm/s,较第二章设计的机器人爬行速度提高了20%,验证了思路的正确性。根据蝠鲼鱼的运动规律设计一种新型软体机器鱼,该机器鱼由能模仿蝠鲼鱼外形实现上下摆动运动的柔性鱼鳍结构、基板与尾鳍组成,采用SMA丝模拟蝠鲼鱼肌肉对柔性鱼鳍结构进行驱动。柔性胸鳍结构通过对布置在上、下侧的SMA丝进行周期性通断电压可以实现模仿蝠鲼鱼鱼鳍的上下摆动,使其产生驱动力实现游动运动。为了验证所设计软体机器鱼,制作机器鱼样机,通过实验方法确定了驱动电压,对SMA丝的热力学分析确定了软体机器鱼的驱动策略。搭建实验平台并进行游动实验,实验结果表明所设计柔性鱼鳍结构的最大摆动角度为42°,机器鱼的最快游动速度发生在驱动电压频率为2.6Hz、占空比为21%时,最快游速为23.4 mm/s,所设计鱼能够模仿蝠鲼鱼游动,为机器鱼的研究提供了良好的实验基础。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

气压驱动,液压,软体

体机器人实现特殊功能并达到预期的工作效果，选择机器人研究的重点之一。软体机器人材质和结构的特更高的要求，如更大的驱动力、更多的自由度、更高的控制精度等。接下来将对当前已有的几种典型驱动介绍。压驱动学家对软体机器人开始探索以来，液压或气压驱动就器人驱动中。这种驱动方式是通过模仿自然界中一些材料制成的机器人基体中内置不同形状的流体通道，特殊位置添加具有限制作用的限制层材料[21]，如图时，通过控制各通道内流体体积的变化借助压强变化缩膨胀和弯曲等变形，实现软体机器人的游动和爬行进行交互。

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第一章绪论下方由双层底座及前、后摩擦片组成。气囊充气膨胀，驱使软体机器人产生弯曲，通过设置不同的前、后摩擦片，利用前后摩擦力大小不同，通过给机器人充气、放气使机器人能够爬行。气动机器人具有变形大、速度快、运动灵活等优点，但是往往也需要笨重的气源不便于一体化设计。

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【参考文献】