软体仿生机械臂力学建模与实验验证

发布时间：2020-08-31 12:57

　　随着机器人技术的高速发展,软体机器人凭借其优越的安全性与灵活性逐渐进入现代化的工业生产与人类生活中,作为机器人研究领域的重要分支与传统刚性机器人的补充,软体机器人的结构设计中融入了许多仿生学思想,自然界的海星、水母、章鱼、象鼻、蠕虫、植物的卷须等都是其模仿的对象,其主要结构由软体材料构成,目前软体机器人的研究也大多集中在材料驱动与结构设计方面,软体机器人的力学建模仍然需要借鉴传统力学方法,尚未形成完整的软体机器人力学建模体系,软体机器人的材料非线性和结构非线性更是加大了建模的难度。以力学建模为核心展开软体机器人的研究具有重要的学术价值与工程指导意义。基于此,本文研究建立软体仿生机械臂的力学解析模型和有限元数值仿真分析模型,并进行实验验证。本文基于Cosserat梁理论建立了软体仿生机械臂的运动学和静力学模型,实现了软体臂变形曲率、挠率及应变的封闭解析求解。综合考虑线缆摩擦力、弹性内力及水动力等影响因素,基于旋量理论和几何Jacobian方法建立了软体仿生机械臂的分段离散型动力学模型,运用Newton-Euler迭代算法在MATLAB中实现了软体臂动力学方程的递归求解。基于RecurDyn多体动力学仿真软件,本文构建了软体仿生机械臂的有限元模型仿真分析流程,建立了线驱动软体仿生机械臂的有限元仿真模型,实现了柔性线缆的等效建模。为了确定仿真材料属性,基于超弹性材料的Ogden本构模型,进行了硅胶材料拉伸实验。通过有限元方法实现了软体仿生机械臂弯曲、轴向收缩、伸长等多模态基本运动的仿真及章鱼腕足组合运动的模拟。最后,基于章鱼仿生原理,设计制作了不同构型的线驱动软体仿生机械臂样机,搭建了线驱动软体仿生机械臂特性测试实验平台,通过C语言编程和串口通信实现了线驱动软体臂的运动控制,并完成了空气中和水下不同工况的稳态及动态弯曲实验,结合样机实验对形变参数的解析模型进行了修正,实现了力学解析模型和有限元仿真模型的实验验证。
【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】：TP241
【部分图文】：

软体,移动机器人

图 1-2 微型软体移动机器人[5]图 1-3OctArm[6]图 1-4 仿壁虎四足机器人[7]图 1-5 仿毛虫机器人 GoQBot[8]图 1-6 可变色的软体四组机器人[9]2013年，美国德克萨斯 A&M 大学研发了一款离子交换聚合金属材料（IPMC）驱动的行走机器人[10]，如图 1-7 所示。这种驱动类型的机器人输出位移大、运动比较灵活，但是其主要缺点有输出力较小，响应频率较低等。2014 年，哈佛大学的 Robert 等人研发了一款基于气压驱动的仿海星四足软体机器人[11]。如图 1-8 所示，机器人由高弹性硅胶材料构成，使用电动空气压缩机提供动力，可以实现基本的爬行运动，不仅能够承受很大的压力，还可以在极热极寒的恶劣环境中工作，因此未来非常适合应用于灾难、事故现场狭小环境的救援工作。

四足机器人,壁虎

仿毛,机器人,软体

图 1-5 仿毛虫机器人 GoQBot[8]图 1-6 可变色的软体四组机器人[9]2013年，美国德克萨斯 A&M 大学研发了一款离子交换聚合金属材料（IPMC）驱动的行走机器人[10]，如图 1-7 所示。这种驱动类型的机器人输出位移大、运动比较灵活，但是其主要缺点有输出力较小，响应频率较低等。2014 年，哈佛大学的 Robert 等人研发了一款基于气压驱动的仿海星四足软体机器人[11]。如图 1-8 所示，机器人由高弹性硅胶材料构成，使用电动空气压缩机提供动力，可以实现基本的爬行运动，不仅能够承受很大的压力，还可以在极热极寒的恶劣环境中工作，因此未来非常适合应用于灾难、事故现场狭小环境的救援工作。图 1-7 IPMC 六足软体机器人[10]图 1-8 仿海星气动四足软体机器人[11]

【相似文献】