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纤维约束式气动柔性关节驱动器设计及其动态特性研究

戎铖  
【摘要】:软体机器人的发展与仿生学密切相关,研究人员从各种动物身上获得灵感并研制仿生软体机器人,而软关节是软体机器人模块化结构的基本组成部分。目前,全软关节的研究还处于初步阶段,普遍具有结构复杂,转动范围小,驱动力输出不足等方面的缺陷。本文以蜘蛛腿的液压关节为设计灵感,初步探索纤维约束式气动柔性关节驱动器及其动态特性。主要工作包括:(1)基于蜘蛛腿关节膜的波纹状折叠结构和驱动原理,设计了一种新型的柔性关节驱动器,采用嵌入式纤维增强结构进行局部约束以提高其驱动性能。并且详细描述了纤维约束式柔性驱动器的制造方法。(2)建立了驱动器硅橡胶材料的本构模型,驱动器间隙侧壁形变模型以及驱动器整体运动的动态力学模型;同时通过ABAQUS软件建立了柔性关节驱动器及其间隙侧壁的有限元仿真模型,验证了数学模型的准确性,并且在数学模型和有限元模型的基础上,分析确定了相对较优的驱动器结构参数。(3)通过实验测试和有限元仿真相结合的方式,研究分析约束结构不同纤维角度对驱动器特性的影响。结果表明纤维错动角度越小,驱动器的性能越好,当纤维角度为30°时,柔性驱动器转动角度最大可达到38°,与无纤维层的驱动器相比,提升了约36%,并且输出力矩和驱动效率也有着明显的提升。(4)柔性材料在形变过程中会呈现强非线性和时变性,导致柔性驱动器产生迟滞现象。本文设计并搭建了柔性关节驱动器的迟滞测试实验台,研究了不同恒压下以及不同加载速度下驱动器的迟滞特性,发现柔性驱动器的迟滞具有非对称性和准速率独立性;为了进一步表征所设计的扇形驱动器的迟滞特性,引入BOUC-WEN模型并进行改进,构建了驱动器驱动力的迟滞模型,奠定了非规则型柔性驱动器迟滞研究的基础。(5)为验证所设计的柔性关节驱动器的实用性,设计并制造了一种可组装式三爪机械手,搭建了相应的测试系统,根据不同物体的抓取实验,对柔性驱动器的驱动性能和三爪机械手的抓取性能进行了评估。本文设计并制造出了一种新型的纤维约束式柔性关节驱动器,通过动态建模、仿真、分析、实验测量和应用测试等方面进行研究,表明了该扇形柔性驱动器的可行性,可实现轻巧、微型、模块化的软机器人,为后续研究者对于形状不规则的柔性驱动器研究提供帮助。


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