一种新型气动可变刚度软体基节的设计与研究

发布时间：2020-09-29 21:18

　　 软体机器人是机器人技术中新兴的一个分支领域,其因有良好的主被动适应性、适合在非结构化环境下工作以及高安全度等优点,吸引了国内外广泛的关注与研究。然而软体机器人普遍存在刚度不足或者刚度不可调控的问题,现有的颗粒阻塞变刚度技术因为内部颗粒摩擦机理复杂而无法建立有效的刚度模型,这些因素极大地阻碍了软体机器人真正进入实用研究阶段。因此开展相关研究是非常具有价值和意义的。本文主要工作目的是设计一种可加持于其它软体装置的可变刚度软体结构,并针对设计的变刚度结构提供出较为简单可靠的数学计算模型。主要内容包括:(1)归纳总结软体机器人实现变刚度的主要方法和原理,根据同步带在不同啮合状态下的力学特性,设计出一种新型的气动变刚度软体结构,该结构主要依靠内部齿的啮合实现刚度变化。针对啮合状态下的受力情况,优化了啮合齿的形状。(2)根据铁木辛柯深梁理论,并结合逐段刚化法,对复杂的内部结构进行适当简化,建立了软体基节在啮合前后的刚度数学模型,在理论上验证了该结构的有效性。选取啮合齿数作为啮合程度的特征指标,有效地规避了复杂的连续介质力学,从而建立简单有效的变刚度数学模型。(3)针对本文所设计的变刚度结构和数学模型,使用有限元软体ABAQUS进行验证分析。通过对啮合前后的软体基节进行建模、加载变形后处理分析,验证了该变刚度结构的有效性以及数学模型的正确性。通过对理论模型中所做的简化过程进行有限元分析,对比分析结果,对数学理论模型的准确性进行修正优化。(4)最后,搭建适用于软体基节刚度实验气动平台和测试实验平台,开展刚度实验,进一步验证了该结构与数学理论模型的有效性和准确性,并针对出现的预期外的结果作出分析,为理论成熟度与准确度的提升提供参考。本文设计了一种新型的变刚度软体基节,建立了简单有效的变刚度数学理论模型,并通过有限元的方法与实验方法验证该结构的有效性和数学模型的正确性。本文工作可以为其他变刚度结构的理论模型的建立提供思路与参考。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

体变刚度技术可以在一定程度上可以增大软体机器人的刚度，然而度技术的研究重点都在新型变刚度结构设计、制作工艺、材料属性，而很少建立变刚度驱动装置驱动程度和引起的刚度变化的数学要原因是变刚度内部机理（例如颗粒阻塞技术中的颗粒摩擦机此设计出一种便于进行变刚度模型建立的变刚度结构，能够实从理论上的精准调控，而且理论也可以指导对该结构的设计优化范围变得更大。动软体驱动器与软体手的研究现状了少数使用例如球轴承等非软性材料作为结构主体的软体机器人机器人的基体主要用超弹性材料或者智能材料制成，按驱动原理主料驱动[34-37]、流体驱动[38-39]、化学驱动[40]以及生物驱动[41]等驱动的材料和新的驱动方式使得软体机器人有更多的选择性和环境适应不同的应用场合与条件运用不同的驱动方式进行软体机器人的器中气动驱动器凭借功率/重量比大、价格低廉、清洁无污染、安滑，且易于控制等优点获得了广泛关注与研究。

图 1-2 FMA 结构[43]Figure 1-2. FMA structure芝公司开发了气动人工肌肉 FMA[43]，如图 1-2 所示为 FMA 结构。气内部有 3 个气腔用于软体驱动器的变形，在橡胶管壁内部布置了限制其膨胀的组织纤维，通过三个气腔的气压耦合可以使机器人基体向任一方具有高度的灵活性。类似的设计还有浙江工业大学的三腔气动软体软体如图 1-3 所示，其在 FMA 的基础上对内部的气腔进行形状的优化，并心的刚度调节腔，通过冲入气压对软体软体基节的刚度进行主动调节，对变刚度结构进行理论分析建立出数学模型。橡胶管 纤维端盖 气室端盖 充气管

FMA结构

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本文编号：2830271