一种仿生变刚度软体机械手的设计、制造与控制
发布时间：2022-02-13 09:27
抓持机构作为服务机器人与非结构环境交互的一类关键使能部件,对提高和扩展服务机器人的智能化程度和应用范围具有重要作用。面向服务机器人对软体机械手的重要需求,本文通过创新变刚度结构,提出了一种兼具适应性抓持和变刚度能力的新型仿生软体机械手,研究内容主要涉及变刚度软体机械手的结构设计与分析、样机制造、实验验证、控制系统开发及自主抓持控制等。主要研究成果如下:1.变刚度软体机械手的仿生设计。探索穿山甲鳞甲结构增韧机理,利用鳞片宏观和微观上的摩擦互锁现象,将鳞甲结构转化为可制造的机械结构,实现了变刚度结构的仿生设计。基于非线性有限元仿真,提出了气动驱动器的结构优化方法,实现了末端抓持力的提升。以此为基础,提出了一种结构简单、刚度可变、抓持能力强且控制便捷的仿生变刚度软体机械手。2.变刚度软体机械手的制造与实验研究。考虑到超弹性材料的双组分加成特点,提出了一种软体分层制造方法,实现了刚-柔-软结构的一体化制造,搭建了软体机械手抓持平台。基于软件仿真与实验对比,建立了仿生变刚度软体机械手输入输出映射模型,借助变刚度结构,软体机械手在抓持时刚度提升了2.7倍,验证了仿生变刚度软体机械手结构设计的有效性...
【文章来源】：天津大学天津市211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刚性机械手(a)VelvetFinger(b)Utah/MITHand
第一章绪论2图1-2软体机器人(a)软体鱼[14]；(b)软体弹跳机器人[15]；(c)软体四足机器人[16](d)软体蝠鲼机器人[17]；(e)仿生章鱼机器人[18]；(f)软体蠕虫机器人[19]Figure1-3Softrobots(a)Softroboticfish(b)Functionallygradedsoftrobot(c)Multigaitsoftrobot(d)Manta-rayinspiredlocomotion(e)Softoctopusrobot(f)Meshworm软体机器人本体采用软材料或柔性材料加工而成，具有无限多自由度和连续变形的能力，因此其形成的多种构型能使末端执行器到达其工作空间的任意一点。由于柔性材料对环境有优异的顺应性，同时在应对外界压力时有较低的阻抗，软体机器人对环境的适应性强，可通过自身变形被动适应环境；根据软体机器人不同的结构特点，可以通过气动、电驱动等方式主动控制软体机器人变形，以使其处于不同的形态实现预定动作；主动变形与被动变形相结合，就可以执行复杂任务。例如，可以利用软体机器人穿过比本体正常尺寸小的管道、缝隙等，进入传统机器人无法进入的空间去执行任务。在应用上，软体机器人可以大幅度伸缩、弯曲和扭转，可在有限空间下进行作业，例如微创手术[20]和地震、火灾等公共安全事故救援[21]；自身可以连续变形，在仿生结构[22-23]和仿生运动方面[14,24]可以更好地模仿生物的结构和运动；可以根据周围环境改变自身的形状和结构等，在非结构环境下复杂易碎物体抓持[25-26]，极端恶劣环境下行走[27]和伪装逃生[28]等方面有极大的应用场景。软体机械手是软体机器人研究中的一个重要分支，因为其能与目标物体形成柔性接触，人机交互性好，顺应物体形状的同时具有简单、易于制造的结构，所以软体机械手是最有希望能模仿人类的抓持行为的抓持机构[29]。KoichiSuzumori[30]对软体机械手进行了一些最早的工作，1989年他?
第一章绪论3图1-3最早的软驱动器Figure1-3Theearliestsoftactuator的软体机械手，基于变长度线缆的软体机械手，基于智能材料变形的软体机械手，其他类型软体机械手。图1-4展示了具有代表性的不同种类软体机械手研究。在基于变长度线缆的软体机械手方面，意大利仿生机器人实验室的BarbaraMazzolai课题组[18]将线缆和软材料结合研发了一种多臂章鱼机器人，可以像章鱼一样在水中行走，还能抓持多种形状和大小的物体。该课题组还在2015年利用硅胶材料与线缆研发了一种可实现柔顺有效抓持的软体仿生手[31]。澳大利亚伍伦贡大学的RahimMutlu等人[32]将线缆穿过3D打印的柔性铰链，制作了类似人手的线驱动软体机械手。基于变长度线缆的软体机械手虽然能实现一部分的顺应性，但控制较为复杂，在使用寿命、抓持效率方面还存在不足。在基于智能材料变形的软体机械手方面，巴黎综合理工大学JunShintake等人[33]基于电活性聚合物(EAP)受电场作用发生形变的原理制作了一种通用的软体机械手。俄亥俄州立大学YuShe等人[34]利用条状形状记忆合金(SMA)材料制作了仿人手形状的软体机械手，并对SMA材料进行了建模分析，该软体机械手的质量较小却能实现较大抓持力输出。南洋理工大学Gih-KeongLau等人[35]利用介电弹性体材料(DE)制作了一种软体机械手，通过施加高电压实现抓放动作。这些基于智能材料变形的软体机械手，使用的新型智能材料大多成本较高且制造难度大，驱动时多需要较高的电压，安全性较差，其中SMA等热变形材料的反应速度较慢，所以这些软体机械手基本仅存在于实验室研究中。还有一些新型软体机械手，芝加哥大学的EricBrown和康奈尔大学的JohnAmend等人[36]研制的UniversalGripper，利用负压对装满咖啡豆的软材料包产生的阻塞效应实现物体的抓持
【参考文献】：
期刊论文
[1]软体机器人:结构、驱动、传感与控制[J]. 王田苗,郝雨飞,杨兴帮,文力. 机械工程学报. 2017(13)
[2]穿山甲鳞片拉伸性能和微结构特征[J]. 唐伟文,阚前华,康国政. 应用数学和力学. 2014(S1)
博士论文
[1]长足大象甲的特征、力学、运动特征及其仿生分析[D]. 许顺.吉林大学 2017
[2]基于肌肉性静水骨骼原理的机器乌贼原型关键技术研究[D]. 杭观荣.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3622941
【文章来源】：天津大学天津市211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刚性机械手(a)VelvetFinger(b)Utah/MITHand
第一章绪论2图1-2软体机器人(a)软体鱼[14]；(b)软体弹跳机器人[15]；(c)软体四足机器人[16](d)软体蝠鲼机器人[17]；(e)仿生章鱼机器人[18]；(f)软体蠕虫机器人[19]Figure1-3Softrobots(a)Softroboticfish(b)Functionallygradedsoftrobot(c)Multigaitsoftrobot(d)Manta-rayinspiredlocomotion(e)Softoctopusrobot(f)Meshworm软体机器人本体采用软材料或柔性材料加工而成，具有无限多自由度和连续变形的能力，因此其形成的多种构型能使末端执行器到达其工作空间的任意一点。由于柔性材料对环境有优异的顺应性，同时在应对外界压力时有较低的阻抗，软体机器人对环境的适应性强，可通过自身变形被动适应环境；根据软体机器人不同的结构特点，可以通过气动、电驱动等方式主动控制软体机器人变形，以使其处于不同的形态实现预定动作；主动变形与被动变形相结合，就可以执行复杂任务。例如，可以利用软体机器人穿过比本体正常尺寸小的管道、缝隙等，进入传统机器人无法进入的空间去执行任务。在应用上，软体机器人可以大幅度伸缩、弯曲和扭转，可在有限空间下进行作业，例如微创手术[20]和地震、火灾等公共安全事故救援[21]；自身可以连续变形，在仿生结构[22-23]和仿生运动方面[14,24]可以更好地模仿生物的结构和运动；可以根据周围环境改变自身的形状和结构等，在非结构环境下复杂易碎物体抓持[25-26]，极端恶劣环境下行走[27]和伪装逃生[28]等方面有极大的应用场景。软体机械手是软体机器人研究中的一个重要分支，因为其能与目标物体形成柔性接触，人机交互性好，顺应物体形状的同时具有简单、易于制造的结构，所以软体机械手是最有希望能模仿人类的抓持行为的抓持机构[29]。KoichiSuzumori[30]对软体机械手进行了一些最早的工作，1989年他?
第一章绪论3图1-3最早的软驱动器Figure1-3Theearliestsoftactuator的软体机械手，基于变长度线缆的软体机械手，基于智能材料变形的软体机械手，其他类型软体机械手。图1-4展示了具有代表性的不同种类软体机械手研究。在基于变长度线缆的软体机械手方面，意大利仿生机器人实验室的BarbaraMazzolai课题组[18]将线缆和软材料结合研发了一种多臂章鱼机器人，可以像章鱼一样在水中行走，还能抓持多种形状和大小的物体。该课题组还在2015年利用硅胶材料与线缆研发了一种可实现柔顺有效抓持的软体仿生手[31]。澳大利亚伍伦贡大学的RahimMutlu等人[32]将线缆穿过3D打印的柔性铰链，制作了类似人手的线驱动软体机械手。基于变长度线缆的软体机械手虽然能实现一部分的顺应性，但控制较为复杂，在使用寿命、抓持效率方面还存在不足。在基于智能材料变形的软体机械手方面，巴黎综合理工大学JunShintake等人[33]基于电活性聚合物(EAP)受电场作用发生形变的原理制作了一种通用的软体机械手。俄亥俄州立大学YuShe等人[34]利用条状形状记忆合金(SMA)材料制作了仿人手形状的软体机械手，并对SMA材料进行了建模分析，该软体机械手的质量较小却能实现较大抓持力输出。南洋理工大学Gih-KeongLau等人[35]利用介电弹性体材料(DE)制作了一种软体机械手，通过施加高电压实现抓放动作。这些基于智能材料变形的软体机械手，使用的新型智能材料大多成本较高且制造难度大，驱动时多需要较高的电压，安全性较差，其中SMA等热变形材料的反应速度较慢，所以这些软体机械手基本仅存在于实验室研究中。还有一些新型软体机械手，芝加哥大学的EricBrown和康奈尔大学的JohnAmend等人[36]研制的UniversalGripper，利用负压对装满咖啡豆的软材料包产生的阻塞效应实现物体的抓持
【参考文献】：
期刊论文
[1]软体机器人:结构、驱动、传感与控制[J]. 王田苗,郝雨飞,杨兴帮,文力. 机械工程学报. 2017(13)
[2]穿山甲鳞片拉伸性能和微结构特征[J]. 唐伟文,阚前华,康国政. 应用数学和力学. 2014(S1)
博士论文
[1]长足大象甲的特征、力学、运动特征及其仿生分析[D]. 许顺.吉林大学 2017
[2]基于肌肉性静水骨骼原理的机器乌贼原型关键技术研究[D]. 杭观荣.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3622941
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