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基于振动驱动的旋转及攀爬软体机器人的研究

徐聪  
【摘要】:传统意义上的刚性机器人一般由电机、活塞、铰链等刚性部件组成,具有功率大、精确度高等优点,但不可避免具有笨重、噪声大、环境适应能力差、能量效率低等缺点。而软体机器人通常由软材料制作而成,从而理论上具有无限自由度、能够承受大变形、连续变形、柔顺接触等优点,使得软体机器人在康复医疗、人机协作、复杂环境运动(海洋勘探、地形探测)等领域具有广泛的应用前景。然而,软体机器人也有着难以精确控制、动力不足等缺点,需要通过机械、力学、电子、计算机,生物,化学等多学科交叉设计新的驱动结构,采用新材料及新的驱动技术解决其缺点。目前,软体机器人已经成为机器人研究领域的热门方向之一,具有重要的理论价值及工程应用意义。本文针对现有软体机器人存在转速慢及难以在窄缝、废墟等环境运动的缺点,从仿生角度出发,利用振动驱动原理,设计了能够实现快速旋转运动和攀爬运动的两种软体驱动结构。从理论、数值模拟和实验角度出发,研究了可旋转及攀爬软体机器人的驱动特性以及潜在的工程应用能力,主要研究成果如下:(1)基于振动驱动理论,利用触角的不同排列方式,设计了软体旋转及攀爬机器人,并且分别对这两种软体机器人进行了理论建模,给出了控制方程。旋转软体机器人底部的阵列倾斜触角沿圆周方向均匀布置,当软体结构的圆端面受到均匀分布的周期性激励力时,会沿着触角倾斜方向产生摩擦力,从而提供旋转驱动力。而对于攀爬软体机器人,阵列倾斜触角在与轴向呈一定倾斜角度均匀排列,当机器人的内壁面受到均匀分布的周期性的激励力时,该结构会沿着触角倾斜方向产生摩擦力,从而可以提供轴向前进的驱动力。(2)利用ABAQUS有限元仿真对旋转软体机器人进行了运动机理分析。通过压电双晶片产生振动来驱动旋转软体结构的触角周期性下弯和上弹运动,在此过程中,所产生的静摩擦力大于弹起过程中的滑动摩擦力,从而产生了周向驱动力,可实现快速旋转。将压电双晶片作为驱动源制备了旋转软体机器人,分析其在不同电压、频率、驱动器几何尺寸条件下的运动情况,结果表明几何参数为θ=60°,l=7 mm,d=1.6 mm的旋转软体机器人施加电压V_(p-p)为400 V,频率为1400 Hz,其旋转速度可达到118.3 r/min,大于目前报道的气动式旋转软体机器人的速度。(3)阐述了振动驱动的无线攀爬软体机器人的总体设计方案、制备工艺及流程。通过ABAQUS有限元仿真研究了振动攀爬软体机器人在管道内的运动规律,得到了其与管径大小依赖的直线及波浪线的两种运动形式,其轴向驱动力由机器人的触角与管道内壁的摩擦力提供。通过分析不同杨氏模量材料(水凝胶、硅胶、橡胶、聚乙烯)制作的软体机器人的攀爬速度,得到硅胶材料制作的机器人具有较好的运动性能。通过实验研究了机器人触角的长度、角度对机器人在管道内攀爬速度的影响规律,基本符合理论预测结果;探讨了电压对机器人负重能力的影响以及负重大小对机器人的攀爬速度的影响规律。结果表明:结构参数为θ=60°,l=6 mm,d=2 mm的攀爬软体机器人在施加电压5 V,管径为22 mm,其最快攀爬速可达到62.1 cm/s;在施加电压为3 V管径为21 mm,其最大负重可以达到94.8 g,是其自重的14.8倍。通过对比一些软体机器人及自然界中的动物的攀爬速度,本文设计的软体机器人与自然界生物壁虎的体积和速度相似,其具有尺寸小且运动速度快的优点。(4)针对可以适应不同直径管道的内侧以及不同形状管道(正方形的管道、三角形管道等)外侧的攀爬应用场合,制作了适应性攀爬软体机器人和多构型软体机器人,并通过实验验证了其攀爬的可行性。通过实验展示了振动驱动攀爬软体机器人在非结构化环境下作业的能力,结果表明该机器人可以顺利通过窄缝、坑洼地形,而且该机器人在碎石地速度可达到0.95 cm/s,在不平整表面的窄缝中速度可达22 cm/s。本文通过理论、有限元分析和实验研究了基于振动驱动的旋转软体机器人和攀爬软体机器人,为设计新型驱动软体机器人的设计提供了新的思路,并为攀爬机器人在管道内外、窄缝及坑洼表面等环境下的应用提供了理论及实验指导。


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