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    添加时间:2021/09/15 来源:未知 作者:乐枫
    本文研制了一款基于波纹管结构的气动软体机械臂,并对其性能进行了研究。
    以下为本篇论文正文:

     

    摘要

      刚性机器人常被应用于高精度装配,自动化生产线的常规流水任务或完成特定环境中的相关作业,但其变形能力和柔顺性能很难适应未知的复杂多变环境。与刚性机器人相比,软体机器人在实现与环境安全交互、受限空间内灵巧操作以及非结构化物体的抓取等方面具有明显的优势,因此本文研制了一款基于波纹管结构的气动软体机械臂,并对其性能进行了研究。主要工作内容如下:

      本文首先提出一款具有分段式结构的波纹管型气动软体机械臂,针对设计的软体机械臂单元,探索了一套与之。匹配的制造工艺;通过单轴拉伸试验确定了超弹性材料TPU的Ogden本构模型材料参数,利用有限元分析软件建立驱动器的有限元模型,仿真了不同驱动气压下驱动器的弯曲角度,并通过该模型分析了结构参数对于驱动器弯曲性能的影响规律。

      搭建性能测试实验平台,对制作的三节软体机械臂单元分别进行弯曲变形角度与驱动气压的关系、阻挡力与驱动气压的关系测试。实验结果表明,驱动气压与弯曲变形角度、驱动气压与阻挡力之间都存在线性关系。最后将三节软体机械臂单元按顺序组装成完整的软体机械臂,利用动物腹腔模型展示了其灵活性。

      采用修正的D-H表示法对软体机械臂单元和软体机械臂的运动学进行了建模,对其弯曲变形姿态进行了仿真,最后利用蒙特卡洛法求解其工作空间,得出了软体机械臂单元的工作空间是一-个三维球壳,而软体机械臂的工作空间是一个实心的球体。

      关键词:软体机械臂: 3D打印技术:波纹管结构:修正的D-H表示法

    abstract

      Rigid robots are often used in high-precision assembly, routine flow tasks of automatic production lines or related operations in specific environments, but their deformation ability and compliance are difficult to adapt to unknown complex and changeable environments. Compared with rigid robot, soft robot has obvious advantages in realizing safe interaction with the environment, dexterous operation in confined space and grasping unstructured objects. Therefore, a pneumatic soft manipulator based on bellows structure is developed and its performance is studied in this paper. The main work contents are as follows:

      Firstly, this paper proposes a bellows type pneumatic soft arm with segmented structure, and explores a set of corresponding methods for the designed soft arm unit. Matching manufacturing process; The material parameters of Ogden constitutive model of hyperelastic material TPU are determined through uniaxial tensile test. The finite element model of the driver is established by using finite element analysis software. The bending angle of the driver under different driving air pressure is simulated, and the influence law of structural parameters on the bending performance of the driver is analyzed through the model.

      The performance test platform was built to test the relationship between bending deformation angle and driving air pressure, and the relationship between blocking force and driving air pressure. The experimental results show that there is a linear relationship between the driving air pressure and the bending deformation angle, and between the driving air pressure and the blocking force. Finally, three soft arm units are assembled into a complete soft arm in order, and its flexibility is demonstrated by animal abdominal model.

      The modified D-H representation method is used to model the kinematics of the software manipulator unit and the software manipulator, and its bending deformation attitude is simulated. Finally, the Monte Carlo method is used to solve its workspace. It is concluded that the workspace of the software manipulator unit is a three-dimensional spherical shell, and the workspace of the software manipulator is a solid sphere.

      Key words: software manipulator: 3D printing technology: bellows structure: modified D-H representation

    目 录

      1 绪论

      1.1 研究背景及意义

      随着科学技术的快速发展,机器人与人类的关系越来越紧密,对人类社会的进步起到了至关重要的作用。机器人除了在制造业、农业、航空航天和教育等方面的应用外,随着材料技术和计算机技术的发展,科学家们将机器人相继引用到手术室、地震搜救等场合[1].

      传统机器人的研究以刚性结构为主,通常由电机、关节和铰链等刚性构件组装而成,如图 1-1(a)所示,其形状能适应特定的外部约束,具有定位准、精度高、执行力强等特点,这些刚性机器人常应用于高精度装配,自动化生产线的常规流水任务以及完成特定环境下相关作业,但其可变形能力和柔顺性能较难适应未知的复杂多变环境[2].随着人们对机器人的安全问题越来越重视,对其弯曲能力和安全性能要求越来越高,需要其根据受限环境改变自身形状,而传统的刚性机械臂显然不能满足需求。

      近些年来,研究人员受象鼻、章鱼臂等的启发而研制出了软体机械臂,如图 1-1(b)所示。软体机械臂主要由轻质、柔软的材料组成,如硅橡胶、形状记忆合金、电活性聚合物等;其常见的驱动方式包括线驱动、气体驱动、温度驱动、电驱动等[3].相比于刚性机械臂,软体机械臂主要具有以下优势:(1)理论上有无限多的自由度,其高度灵活的运动能力可以很容易实现复杂的位姿;(2)极强的环境适应能力,可以通过主动变形与障碍物相适应;(3)具有良好的柔性接触特性,适用于软、易碎或复杂物体抓取等[4].软体机械臂具有许多明显的优势,因此本文研制了一款基于波纹管结构的气动软体机械臂。

      本文提出的利用 3D 打印技术制造气动软体机械臂,首先采用 3D 打印技术可以解决传统铸造技术制作的软体机械臂结构简单的问题,在一定程度上提升了软体机械臂的运动空间;其次选用肖氏硬度较大的 3D 打印耗材,能够在一定程度上提升软体机械臂的刚度,并且能够提高软体机械臂的输出力与控制精度;最后利用 3D 打印技术制作软体机械臂能够保证其制作的一致性,减少了人手工的参与程度,这将对软体机械臂的研究提供新思路。

      1.2 研究现状及分析

      软体驱动器作为软体机械臂结构中最重要的组成部分,本节将从其结构设计和制作方法两个角度梳理近年来国内外学者的主要研究成果。

      1.2.1 软体驱动器结构设计发展现状

      软体驱动器的结构形式将决定软体驱动器的变形形式与驱动性能,目前具有代表性的结构形式主要有弹性气室结构、波纹结构、折叠/褶皱结构、纤维约束结构等[5].因此,本节将对上述四种软体驱动器结构的驱动原理与驱动性能进行分析。

      1) 弹性气室结构软体驱动器Marchese 等人[6]提出了一种由硅橡胶制作的平面连续型软体驱动器,它由多个单元组成,每个单元有两个弹性体气室,给一个气室充气膨胀时单元会向另一侧弯曲变形,如图 1-2(a)所示;Martinez 等人[7]将此结构进行了扩展,在每个单元的中心轴对称分布三个弹性气室,然后将多个单元串联形成具有三维变形能力的软体驱动器,如图 1-2(b)所示。

      弹性气室结构在气压作用下的膨胀会使软体驱动器弯曲变形,但气压对外做功的效率较低,可通过限制弹性体气室沿径向膨胀来提升气压对外做功的效率。Miron 等人[8]提出了一种磁-气共振的驱动器,该结构由模制聚合物结构和气动人工肌肉组成,其中人工肌肉带有限制径向膨胀的径向增强肋;而 Correll 等人[9]在设计弹性气体腔室时增加了许多相互连通的矩形薄壁横截面以限制其径向膨胀;Mosadegh B,Polygerinos P 等人[10]通过优化传统的弹性气室(sPN),提出了快速响应软体驱动器(fPN)。fPN 由连续腔体和限制伸长层两部分组成,其中连续腔由沿轴向排布的许多独立的弹性腔体组成,每个弹性腔体连接到一个中空通道,当连续腔体在气压的作用下膨胀时相邻两个腔相互挤压,并在限制伸长层作用下发生弯曲运动,如图 1-3 所示。

      基于弹性气室的软体驱动器结构主要使用具有低硬度且高延展率的橡胶类材料[11],该结构主要有结构紧凑且柔顺性好的优势,但存在承载能力以及驱动力相对较低的不足。

      2)波纹结构软体驱动器由低模量超弹性材料制成的软体驱动器具有更好的柔顺性,但存在刚度低和承压有限的问题,此问题可以通过增加材料的模量来解决,但是增加材料的模量又会降低其延展性,从而影响驱动器的变形能力。为解决这一矛盾,研究人员在设计软体驱动器的结构时引入了波纹结构,波纹结构的特点是在波纹的脊谷处有较大的刚度,而在波纹起伏的方向刚度较小。

      因此,通过设计波纹结构的方向可以实现软体驱动器在不同位置的刚度,从而在气压的驱动下产生定向弯曲[5].

      Festo 公司利用波纹管气动人工肌肉驱动器制造了一款象鼻形状仿生连续体机械臂[12],如图 1-4(a)所示;Bryan N Peele 等人[13]利用柔性光敏树脂通过光固化 3D 打印技术制作了结构为半波纹管的软体驱动器,给驱动器充气时,波纹管侧膨胀伸长从而实现驱动器的弯曲变形,如图 1-4(b)所示。

      Hong Kai Yap 等人[14]利用熔融沉积成型技术,将肖氏硬度为 85A 的 TPU 超弹性材料,直接打印制成软体驱动器。通过修改模型和打印参数,可以打印只能单侧弯曲的单波纹管驱动器和能够在平面内双向弯曲的双波纹管驱动器,如图所示 1-4(c)所示。相对于传统制作软体驱动器的方法来说,这种方法不仅大大减少了制作流程,能够保证制作的驱动器的一致性;同时选用模量较高的制作材料,让驱动器的力输出能力有了很大的提升;文力研究团队[15]利用硅橡胶材料铸造出了一款波纹管软体驱动器。软体驱动器除了能够实现弯曲运动外,Scharff 等人[16]还提出了一种螺旋状波纹结构软体驱动器,充气时该结构能够实现扭转运动。

      与弹性气室驱动器相比,波纹结构驱动器有驱动效率高、小应变可以产生大变形以及制作材料范围广的优点。波纹结构驱动器的灵活性、良好的抗扭性能和较好承载能力与驱动力使其更适用于软体机械臂[17,18],以及较大载荷的软体机械手[14].

      3)折叠/褶皱气动软体驱动器折叠/褶皱结构在变形过程中有很高的形变率,人们将这种结构引入到软体驱动器的结构设计。该结构在变形过程中对材料的变形能力要求比较低,在材料选择时既可以选用模量低的橡胶材料,也可以选择模量高的柔性材料,甚至可以选择不可延展但容易弯曲的薄膜材料[5].

      (1)正压展开软体驱动器结构正压驱动的折叠/褶皱气动软体驱动器通常以某种形式折叠或压缩,给驱动器充正压时会以一定的形式膨胀变形。Li 和 Wang 等人[19]受植物细胞结构启发,设计了一种具有形状变形和刚度调整的自适应流体折纸驱动器。设计理念是将多个 Miura 单元沿着折痕线连接起来,形成新的三维拓扑结构,其内部流体体积与整体构造变形的关系主要由褶皱运动决定,所以流体折纸驱动器可以通过主动改变内部流体体积来实现驱动/变形,并通过控制流体体积来实现刚度调整,结构如图 1-5 所示。

      Woongbae Kim 等人[20]受鹈鹕鳗的启发,利用硅橡胶设计制作了一种折叠驱动器,该驱动器可以实现极高的变形率(展开阶段 800%,最终累计 1300%的伸长率);Daerden 和 Lefeber等人[21]设计了一种褶皱式气动人工肌肉(PPAM),它的主要特点是其褶皱的膜可以在没有材料拉伸和摩擦的情况下膨胀,在垂直于其对称轴的方向上几乎没有应力,这种结构在展开过程不需要多少能量,因此具有很高的驱动效率、较大的输出力(0~3500N)和收缩率(40%)以及较小的起始驱动气压,如图 1-6 所示。

      A. Manuello Bertetto 和 Tri Vo Minh 等人[22,23]对该结构驱动器力学行为进行深入的理论和应用研究,但因其较大的径向膨胀率而难以实现紧凑的结构,因此其应用相对有限[24].

      (2)负压屈曲折叠软体驱动器结构气动软体驱动器不仅可以利用正压驱动,还可以利用负压驱动。负压驱动的气动软体驱动器是通过气腔内外压力差的作用实现定向屈曲、收缩和折叠,从而实现定向驱动功能。

      Whiteside 团队[17]设计出了一种由结构屈曲驱动的气动软体驱动器,其工作原理是给驱动器内腔抽真空时,软体驱动器会在外界与内部空腔压力差的作用下发生弯曲并折叠,并产生收缩力,如图 1-7 所示;焦等人[25]设计了一种负压驱动的软体气动扭转驱动器(V-SPTA),通过V-SPTA 的不同组合,驱动器可以实现伸缩、扭转和弯曲等运动,V-SPTA 单元如图 1-8 所示。

      Robertson 和 Paik[26]设计了一个由负压驱动的三自由度气动软体驱动器模块,它用一个负压源可以实现具有多个自由度和多种功能的复杂软体机器人系统;Robert J. Wood 等人[27]

      提出了一种以折纸为灵感的真空流体驱动器;Deshpande 等人[28]设计了一种基于折纸原理的双向负压软体驱动器;Lee 和 Rodrigue[29]提出了一种基于折纸的真空气动人工肌肉(OVPAM),它可以产生较大的力(>400N)和超过 90%的收缩率。

      负压屈曲收缩的软体驱动器在驱动时体积不会膨胀,很大程度上降低了对工作空间的要求,使用起来更加灵活方便,可以用于如微型手术设备、可穿戴外骨骼以及深海机械臂等场景[27];但折叠/褶皱结构驱动器存在应力集中问题,这会严重影响驱动器的寿命。

      4)纤维约束气动软体驱动器纤维约束的气动软体驱动器最重要的特征是其弹性腔被袖套式或嵌入式纤维、织物或其它类似纤维的结构约束和增强,这些约束结构通常具有各向异性的性能。因此,当软体驱动器的气压增加时,通过设计的纤维结构将约束弹性气腔产生各向异性的膨胀和变形,从而实现特定形式的变形运动[5].

      (1)编织式袖套约束结构McKibben 型气动人工肌肉(PAM)是最早设计且最典型的一种梭织型气动软体驱动器[30];Thomas E. Pillsbury 等人[31]基于 PAM 研究了收缩型和伸长型的气动人工肌肉,两种类型的气动人工肌肉都由一个编织套管和一个弹性体内腔组成,如图 1-9 所示。

      管等人[32]在象鼻的启发下,提出并分析了一种弯曲螺旋伸展型(HE-PAMs)/螺旋收缩型(HC-PAMs)气动人工肌肉;Zhu 等人[33]通过缝制将弹性管嵌入在两层柔软织物中间,提出了一种流体织物肌肉(FFMS)软体驱动器;Erick J Ball 等人[34]设计了类似于传统 McKibben 肌肉的基于针织网套编织结构的气动软体人工肌肉,在膨胀时能够约束其周向膨胀,但是纱线之间存在的滑动摩擦会导致能量损耗。

      (2)嵌入式纤维增强结构嵌入式纤维增强结构可以使用一组或多组纤维进行缠绕排列,通过浇铸硅胶等软体基体,将其埋入软体驱动器壁内与驱动器合成在一起,从而使结构更紧凑。纤维固定在驱动器基体内壁,其排列形式比较灵活,根据纤维排布不同的方式,驱动器能够实现扭转、伸长、收缩、弯曲、螺旋等运动[5].

      Koichi Suzumori 等人[35]在 20 世纪 80 年代研发了一款用纤维增强橡胶制造的适用于微型机器人的柔性微驱动器(FMA, flexible micro-actuator),通过控制三个腔室的压力,FMA可以向任何方向弯曲,还可以完成俯仰、伸长或者扭转运动;杨庆华等人[36]设计了一款在弹性橡胶基体内嵌入螺旋钢丝的气动柔性驱动器(FPA, flexible pneumatic actuator),并基于FPA 开发了气动柔性弯曲关节、扭转关节和球面关节以及气动柔性灵巧手;Connolly[37]和Bishop-Moser[38]等人对两组不同角度的纤维增强软体驱动器的变形行为和力学输出特性进行了相关的理论和实验研究;另外,Bishop-Moser 等人[39]还设计了一款蛇形驱动器,它是通过使用单根纤维在轴向单侧或螺旋增强两组纤维缠绕增强的驱动器,并深入研究了三组纤维增强的缠绕角度与驱动器性能之间的关系,蛇形驱动器结构如图 1-10 所示。

      纤维约束的气动软件驱动器具有结构简单,输出比(输出力/重量)高,工作气压高的优点,但是在编织结构内部、套筒和弹性基体之间的摩擦使驱动器具有滞后效应[40].嵌入式纤维增强驱动器则没有迟滞效应,但纤维与弹性基体之间的约束也会影响软体驱动器的变形能力[11].对于嵌入式纤维增强驱动器,可以将纤维与驱动器集成在一起,让整体结构更紧凑且更易于小型化[41];通过直接缠绕的方式排布纤维,让排布方式更加灵活多样,让驱动器的稳定性更好、更易于标准化生产[42].

      1.2.2 软体驱动器制作工艺发展现状

      软体驱动器主要使用柔性材料制作,与传统刚性机械臂的加工方法完全不同,通过查阅文献可以得知,软体驱动器的加工制造方法主要有机械加工、浇铸成型和增材制造等[43].以下将对气动软体驱动器的主要制作方法进行介绍。

      1)机械加工一些气动软体机械臂和软体驱动器可以使用商业材料通过机械加工制造,例如McKibben 型气动人工肌肉,该方法主要依靠诸如连接器之类的机械结构进行组装和密封,具有生产效率高,成本低,易于拆卸和维护的优点;但是比较耗费人工[42],并且由于密封的连接结构需要占据一定的空间和质量,因此在软体机械臂和软体驱动器的小型化与集成化设计中存在一些困难。随着 3D 打印技术在机械装配类软体机械臂和软体驱动器中的应用,让其已经达到了一定程度的轻量化,并降低了相应的人工成本[32].

      2)浇铸成型超弹性材料(例如硅橡胶)在软体驱动器中的广泛使用,让各种铸模成型方法应用于软体驱动器的制造过程。最常见的是重力浇铸成型方法,其制作出的软体驱动器最小尺寸可以达到数百微米[44],但浇铸过程中气泡的存在会严重影响其性能,所以浇铸前的真空除泡过程[45]就显得非常的重要;单轴离心浇铸[46]的引入使得铸造复杂结构成为可能,但为脱模过程带来了巨大的困难。为解决复杂结构的成型问题,研究人员引入了分体式模具[6]、柔性芯模[47]

      等方法,以便于脱模。而可溶[48]和熔性[49]等可去除模具的使用则进一步提高了软体驱动器铸模成型的复杂度和便利性。浇铸成型方法适用于软体驱动器的一体化制造,以提高其紧凑性和集成性;但是对于复杂的结构,模具的设计、生产、浇铸和脱模过程会更加繁琐和复杂。

      3)增材制造近年来,随着 3D 打印技术的发展,它以其快速、便捷特性吸引了软体机械臂研究人员的关注。立体光刻技术(stereo lithography, SLA)、数字光处理技术(digital light processing, DLP)、连续液面生长成型技术(continuous liquid interface pro-duction, CLIP)等[50]都是利用通过改性的柔性光敏树脂来制造软体驱动器[51],实现软体机器人的自动化快速成型制造[13].

      对于气动软体驱动器,熔融沉积成型[14]和选择性激光烧结[16]两种技术都可以利用热塑性柔性材料(例如 TPU 材料)打印制造,但是熔融沉积成型技术对打印耗材的硬度有要求,通常要求肖氏硬度为 80A 以上,否则耗材的进给机构容易发生堵塞等问题。

      喷墨 3D 打印技术(Ink Jet)是通过喷嘴逐层喷射的树脂沉积形成三维立体结构,例如Poly Jet 技术,它可以实现更好的精度和速度,并且可以使用类似橡胶的树脂和其它材料制作软体驱动器[52];直接书写打印是利用具有一定剪切稀化特性的黏性材料,通过螺杆或气压对其进行挤压,然后逐层堆叠以形成三维结构[53].

      综上所述,随着 3D 打印技术和 3D 打印材料的发展与低成本化,结构设计的形式与可以使用的材料种类越来越多,增材制造将成为软体驱动器制造的重要方法。

      1.3 主要研究内容

      第 1.2 节从软体驱动器结构设计和制造方法两个角度对软体机械臂的研究现状进行了分析,总结了各类软体驱动器结构与制造方法的优缺点。在此基础上,本文以建立具有多自由度灵活运动的软体机械臂为目标展开研究,主要研究内容如下:

      第 1 章 绪论。首先介绍本文的研究背景及意义,然后从软体驱动器结构设计和制造方法两个角度对其研究现状进行分析,总结了各自的优缺点,进而确定本文研究的主要内容。

      第 2 章 软体驱动器结构设计及制造工艺。首先从功能需求出发制定设计目标,设计了一款主要由波纹管软体驱动器基体组成的软体驱动器。针对软体驱动器,详细介绍了其结构组成及工作原理;并探索了一套利用 3D 打印技术制造软体驱动器基体的参数和组装软体驱动器的制作工艺。

      第 3 章 软体驱动器静力学分析与结构优化。软体驱动器基体作为软体驱动器的主要组成结构,由热塑性聚氨酯弹性体橡胶(Thermoplastic Urethane,TPU)材料制成。本章首先利用单轴拉伸实验确定了超弹性材料 TPU 的 Ogden 本构模型的材料参数;然后利用有限元分析软件对软体驱动器进行了弯曲变形仿真;最后依据 3.2 节建立的软体驱动器有限元模型,利用控制变量法得出了结构参数对软体驱动器弯曲性能的影响规律。

      第 4 章 软体机械臂构建及性能研究。首先介绍了软体机械臂单元的制作流程;接着在2,3 章研究的基础上制作了三节软体机械臂单元;然后对制作的三节软体机械臂单元进行弯曲变形角度与驱动气压的关系和阻挡力与驱动气压的关系测试;最后将三节软体机械臂单元按顺序组装成完整的软体机械臂,并利用实例展示其灵活性。

      第 5 章 软体机械臂运动学与工作空间分析。本章主要利用修正的 D-H 表示法对软体机械臂单元和软体机械臂运动学建模,并通过 Matlab 进行仿真,最后利用蒙特卡洛法求解了各自的工作空间。

      第 6 章 结论。首先对全文主要工作做了总结,并对后续工作进行了展望。

      2 软体驱动器结构设计及制造工艺

      2.1 软体机械臂总体设计

      2.2 软体驱动器结构设计

      2.3 软体驱动器制造工艺

      2.3.1 软体驱动器工艺

      2.3.2 软体驱动器制造

      2.4 本章小结

      3 软体驱动器静力学分析与结构优化

      3.1 TPU 材料超弹性本构模型

      3.1.1 弹性力学理论

      3.1.2 Yeoh 本构模型和 Ogden 本构模型

      3.1.3 TPU 材料参数测定

      3.2 软体驱动器的有限元仿真

      3.3 软体驱动器结构优化

      3.3.1 气囊壁厚对弯曲性能的影响

      3.3.2 驱动器长度对弯曲性能的影响

      3.3.3 波纹管圆心角对弯曲性能的影响

      3.3.4 波纹管扇形半径对弯曲性能的影响

      3.3.5 内骨片外径对弯曲性能的影响

      3.3.6 气囊壁倾角对弯曲性能的影响

      3.3.7 气囊间距离对弯曲性能的影响

      3.3.8 气囊厚度对弯曲性能的影响

      3.3.9 气囊内壁有无凸起对弯曲性能的影响

      3.4 本章小结

      4 软体机械臂构建及性能研究

      4.1 软体机械臂单元制作流程

      4.2 软体机械臂单元尺寸确定及制作

      4.3 软体机械臂单元封装

      4.4 软体机械臂单元性能测试

      4.5 软体机械臂灵活性展示

      4.6 本章小结

      5 软体机械臂运动学与工作空间分析

      5.1 软体机械臂单元运动学建模

      5.2 软体机械臂单元运动学仿真

      5.3 软体机械臂单元工作空间分析

      5.4 软体机械臂运动学建模及仿真

      5.5 软体机械臂工作空间分析

      5.6 本章小结

    6 结论

      6.1 结论

      软体机械臂在与环境实现安全交互、狭小空间的灵活操作以及抓取非结构化物体等方面较传统刚性机械臂都有明显的优势,因此本文研制了一款由 3D 打印技术制造的气动波纹管型软体机械臂。利用 3D 打印技术可以制作结构复杂的软体机械臂,从而提升其运动空间;选用肖氏硬度为 85A 的柔性打印耗材可以在一定程度上提升软体机械臂的刚度,输出力以及控制精度;利用 3D 打印技术可以减少人手工的参与程度,保证软体机械臂的一致性。

      本文首先分析了现有制作软体机械臂时采用的结构和制作方法,通过对比发现波纹管结构和 3D 打印技术符合本文的设计要求;然后设计了一款波纹管结构的软体机械臂,并探索出了一套与之相适应的制造工艺;接着以 TPU 超弹本构模型为依据建立有限元模型,并利用有限元模型分析结构参数对软体驱动器弯曲性能的影响规律,以及利用修正的 D-H 表示法建立软体机械臂的运动学模型,利用蒙特卡洛法求解其运动空间;最后根据有限元仿真得出的结论和实际工作需要,制作了三节软体机械臂单元。本文主要的研究内容及相关结论如下:

      (1)首先本文提出了具有分段式结构的气动波纹管型软体机械臂,组成软体机械臂的单元主要采用柔性材料制作,当气压作用于软体机械臂单元时可以实现任意方向和连续角度的弯曲变形;针对所设计的软体机械臂单元,本文探索出了一套与之相适应的制造工艺,主要流程包括:软体驱动器基体的三维模型的构建、利用 3D 打印机制作软体驱动器基体、内外骨片和端盖的设计与制作、软体驱动器的组装、硅胶膜的铸造及软体机械臂单元的封装等。

      (2)通过对制备软体驱动器基体使用的 TPU 材料进行拉伸实验,以类橡胶材料超弹性本构 Ogden 模型为理论基础,利用有限元分析软件,建立了软体驱动器单元的有限元模型,通过该模型分析了结构参数对于驱动器弯曲性能的影响,得出了以下结论:当在满足驱动器结构要求和打印要求时,在相同的驱动气压下,壁厚越薄,驱动器的弯曲能力越强;驱动器长度越长,驱动器的弯曲能力越强;波纹管圆心角越大,驱动器的弯曲能力越强;波纹管扇形半径越大,驱动器的弯曲能力越强;内骨片外径越小,驱动器的弯曲能力越强;气囊壁倾角越大,驱动器的弯曲能力越强;气囊间距离越小,驱动器的弯曲能力越强;气囊厚度越薄,驱动器的弯曲能力越强;气囊内壁有凸起时驱动器的弯曲能力越强。

      (3)搭建性能测试实验平台,对制作的外径分别为 65mm、45mm 和 30mm 的三节软体机械臂单元进行弯曲变形角度与驱动气压的关系和阻挡力与驱动气压的关系测试。实验结果表明,弯曲变形角度与驱动气压之间存在线性关系,并且随着软体机械臂单元直径的增大,其弯曲变形能力也相应增大,比如根部单元在 110kPa 气压下就能够弯曲到 90°,而中部单元和端部单元只能弯曲 37°和 22°,该结论也验证了第三章有限元仿真的正确性;同时阻挡力与驱动气压之间存在线性关系,并且随着软体机械臂单元直径的增大,其力的输出能力也逐渐增大,其中根部单元在 110kPa 气压作用下的阻挡力达到 2.9N. (4)根据分段常曲率假设,采用修正的 D-H 表示法对软体机械臂单元进行平面内弯曲以及绕面内任意直线在空间内弯曲的运动学模型,并使用 Matlab 编程仿真验证了所推导模型的正确性,在此模型基础上对软体机械臂进行运动学建模,并对其任意运动状态进行仿真验证。最后利用蒙特卡洛法求解软体机械臂单元和软体机械臂的工作空间,其中用实验数据与软体机械臂单元中的末端点进行对比,验证了理论模型的正确性。

      6.2 展望

      本文以气动软体机械臂为研究对象,分别对其进行了总体结构设计、制造工艺制定、建模仿真和性能测试等研究,取得了一定进展,但还有一些问题需要深入研究:

      (1)本文只对软体机械臂单元的弯曲变形能力和阻挡力等性能做了分析研究,而对整体性能的研究不足。在后续的研究中,需对软体机械臂的整体性能做深入的研究,这样更有利于软体机械臂单元的结构优化。

      (2)本文利用有限元分析软件对影响驱动器弯曲性能的主要结构参数进行仿真分析,得出了影响规律,后续研究需要加入有限元分析软件和其它软件的联合仿真,得到各参数之间的最优组合,进而提升软体机械臂的性能。

      (3)本文对设计的软体机械臂进行单节和整体的正运动学建模分析,但对并没有逆运动学建模。在后续的研究中,应该增加逆运动学的建模,将对后续软体机械臂的控制打下基础。

      (4)对于刚性机械臂来说,其机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统均已得到充分发展。然而目前针对软体机械臂的柔性控制与柔性传感进展缓慢,针对未来智能化的需求,面向软体机械臂的控制与传感技术是值得深入研究的领域。

    致谢

      时光如白驹过隙,转眼之间,三年的研究生学习生涯即将结束,同时也要向二十年的学习生涯说再见。在即将踏上人生新征程之际,首先要感谢我的导师李鹏飞老师,在李老师的悉心指导下,让我从一个科研小白逐渐成长到能够自主完成自己的科研任务;李老师在我完成课题的过程中提出了许多建设性的指导意见,为我能够顺利完成课题研究打下了坚实的基础;另外李老师深厚的学术造诣、扎实的理论基础、丰富的科研经历、忘我的工作热情让我受益终身;临别之际,再向您道一声感谢!

      特别感谢刘磊老师,从课题工作到论文,他给予了我耐心的指导,指引着我的研究方向,他严谨负责的工作态度,求实创新的学术精神一直激励着我不断前进。感谢他在课题研究过程中为我提供的无私帮助和详细指导。

      感谢刘庚、赵晨、郝波涛、王资燊、申海波师兄们对我研究工作的方向指点;感谢同门肖昕翔、雷博兴、宗越三年的相伴和鼓励;感谢朱明亮、刘鹏浩、丁玉西、席伟将、尚志坚、赵璐、张子玄、许康辉、史宇、雷星驰、李嘉泽、康佳乐等师弟师妹在实验过程中提供的帮助;感谢室友张振伟、侯宇涛和郄旭亮在生活上的帮助;感谢杨晓靖同学两年多的陪伴、理解、包容和鼓励。

      最后特别感恩父母的养育之恩,他们是我坚强的后盾,他们无私的付出让我在学校的学习和生活没有后顾之忧,我将在以后的岁月里好好报答他们。

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