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刚柔复合气动仿生手研制及性能分析

王龙  
【摘要】:软体机器人主要由柔性材料制成,可通过主动改变自身形态来适应外部环境,对不同形状的物体表面适应性高、人机交互安全。软体仿生手作为软体机器人的分支也成为众多学者研究热点,然而现有软体仿生手存在制备工艺复杂、驱动性能一般、控制复杂等问题,尤其在应用研究中,手指运动存在灵活性差和横向承载力较低等不足。针对上述问题,本文将刚性结构应用于仿生手驱动器的设计当中,提出一种刚柔复合软体仿生手结构,对其结构设计、样机制备、参数优化、仿真分析及试验验证等内容开展了研究,主要包括以下几个方面工作。(1)设计了刚柔复合仿生手结构,结合仿真软件进行驱动关节结构参数影响分析。探索分析了人手结构及运动机理,结合刚性材料和柔性材料的优点,针对人手指多关节运动方式,以快速驱动网格驱动器为基础,提出一种刚柔复合软体仿生手结构设计方案。仿生手共包含5指结构,大拇指能够实现多自由度弯曲,其余四指采用模块化设计方案,可实现近指骨关节与其余两指骨关节独立驱动。同时采用控制变量法,对仿生手驱动关节结构参数进行优化分析,根据仿真分析结果,确定最终手指关节的结构参数。(2)建立了刚柔复合仿生手驱动关节理论模型。基于二阶Yeoh超弹性本构模型建立了仿生手驱动关节静力学模型,得出软体驱动关节输入气压和弯曲变形角度之间关系。同时结合有限元仿真软件,分析大拇指和其余四指在定压下的运动模型。同时利用3D打印技术,采用模具分层浇筑工艺,完成了对仿生手的试验样机制备。(3)开发了刚柔复合仿生手控制系统。结合所设计的仿生手结构特点,采用双控制系统对仿生手进行控制。根据仿生手各关节所需气压载荷分析,采用基于气泵-电磁阀控制系统模块对大拇指关节进行气动控制,采用基于电机微泵控制系统模块对其余关节进行气动控制,有效地减少了系统控制的复杂性。开发了在线控制系统操作界面,更易于仿生手的控制。(4)进行了刚柔复合仿生手的试验研究。结合气动控制方案,搭建了试验测试平台,进行了刚柔复合仿生手的灵活性测试、承载力测试、弯曲性能测试、仿人手势模拟及抓取试验等。0-200k Pa范围内,大拇指基关节可实现全向弯曲动作,环形限制结构使得驱动关节弯曲角度最大增加约12.5°。在横向负载66.0g时,含柔性钢板的驱动关节偏转角度为10°,不含柔性钢板的驱动关节偏转角度为80°。通过试验验证了刚柔复合软体仿生手提升横向负载性能的同时手指拥有较高灵活度,结果表明,所设计的软体仿生手结构有效可行。本文研究成果对推进刚柔复合仿生手结构设计及制备方法,仿生大拇指手灵活性设计思路、刚柔复合其余四指多关节运动方式设计方案和相应控制系统的开发等具有重要意义。


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