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變剛度軟體機械手設計與實驗

添加時間:2021/08/20 來源:未知 作者:樂楓
本文設計的變剛度軟體抓手能很好的提升軟體抓手的最大負載能力與剛度,極大的提高了軟體抓手的使用范圍。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  軟體抓手作為軟體機器人中的一個重要分支,通常由超彈性材料組成,由于其材料的特殊性使其在抓取一些形狀不規則的易碎物體時能表現出良好的安全性與人機交互安全性。然而也因為軟體材料的剛度較低,導致軟體抓手的負載能力較低,難以抓取一些質量較大的物體,限制了軟體抓手的應用。本文設計出一款基于層干擾結構的變剛度軟體抓手,從結構設計、制作工藝、彎曲性能、剛度調節等方面進行了詳細的研究,主要結論如下:

  對軟體抓手的驅動部分與變剛度部分進行結構設計,詳細的描述了軟體抓手的構成材料與制作過程。通過單軸壓縮試驗與理論分析得出所用硅膠材料的材料參數;通過仿真分析得出軟體手指驅動部分的彎曲情況,驗證了驅動部分結構設計的合理性;通過實驗得出軟體手指的彎曲角度與內部正壓大小之間的關系;通過力矩平衡關系推導出彎曲角度與內部正壓大小之間的函數關系,建立數學模型,并與實驗數據對比,從而驗證了數學模型的正確性。

  搭建實驗平臺測定軟體抓手在不同負壓下的最大負載能力,通過分析實驗數據得出軟體抓手在不同負壓下的剛度變化情況。建立軟體抓手剛度在不同負壓的數學模型,并將其與實驗數據進行對比從而驗證其正確性,結果表明在較大負壓的情況下軟體抓手的最大負載能力提升了約 10 倍,軟體抓手的剛度提升了約 11倍。

  本文設計的變剛度軟體抓手能很好的提升軟體抓手的最大負載能力與剛度,極大的提高了軟體抓手的使用范圍。

  關鍵詞: 軟體抓手,變剛度,層干擾,仿真分析

Abstract

  As an important branch of soft robot, soft gripper is usually composed of Hyperelastic Materials. Due to the particularity of its materials, it can show good security and human-computer interaction security when grasping some fragile objects with irregular shapes. However, due to the low stiffness of software materials, the load capacity of software gripper is low, and it is difficult to grasp some objects with large mass, which limits the application of software gripper. In this paper, a variable stiffness software gripper based on layer interference structure is designed. It is studied in detail from the aspects of structural design, manufacturing technology, bending performance and stiffness adjustment. The main conclusions are as follows:

  The driving part and variable stiffness part of the software gripper are designed, and the constituent materials and manufacturing process of the software gripper are described in detail. Through uniaxial compression test and theoretical analysis, the material parameters of silica gel material are obtained; The bending of the driving part of the soft finger is obtained through simulation analysis, and the rationality of the structural design of the driving part is verified; The relationship between the bending angle of soft finger and the internal positive pressure is obtained through experiments; The functional relationship between bending angle and internal positive pressure is deduced through the torque balance relationship, and the mathematical model is established. Compared with the experimental data, the correctness of the mathematical model is verified.

  An experimental platform was built to measure the maximum load capacity of the software gripper under different negative pressure. The stiffness changes of the software gripper under different negative pressure were obtained by analyzing the experimental data. The results show that under the condition of large negative pressure, the maximum load capacity of the soft grip is increased by about 10 times, and the stiffness of the soft grip is increased by about 11 times.

  The variable stiffness software gripper designed in this paper can improve the maximum load capacity and stiffness of the software gripper, and greatly improve the application range of the software gripper.

  Key words: soft gripper, variable stiffness, layer interference, simulation analysis

目 錄

  第一章 緒論

  01.1 研究背景及意義

  隨著科技的發展,機器人技術也逐漸成為眾多行業的關鍵技術之一,例如制造業、醫學行業、科學探索等一些重要領域[1-3].同時由于人類日益增長的需求,機器人技術也在不斷地迭代更新,一些新興的機器人也逐漸進入大眾的視野,軟體機器人就是其中之一。傳統的剛性機器人骨架通常由剛性的桿件與一些鉸鏈組成,剛性的桿件能保證剛性機器人的一些高性能,例如較快的速度、比較大的有效載荷和準確性,同時剛性機器人也存在一系列的缺點,例如適應性不強、靈活性差、安全性低等[4,5].軟體機器人是近些年來人們通過對自然界中的一些軟體動物的觀察研究而來,軟體機器人的材料通常為超彈性材料,能很好的實現拉伸、彎曲、扭轉,所以與傳統的剛性機器人相比軟體機器人具有更好的適應性、靈活性、耐用性和安全性[6].

  抓手是機器人行業的一個重要分支,用于對目標物體的抓取與操作,傳統的剛性抓手在面對一些形狀規則與結構穩定的物體時都具有良好的性能,如圖 1-1所示,但是在面對一些形狀不規則、易碎的物體時剛性抓手可能無法工作甚至使被抓取物體損壞[7-13].目前也存在一些基于多指設計的剛性抓手,其配有許多可控的關節與傳感器從而保證抓手的靈活性和安全性,在抓取的過程中需要計算每個手指的壓力大小與位置,其對硬件和軟件的要求十分高,操作過程也較為復雜。

  而軟體抓手就是解決這一問題實現抓取任務的替代方法,軟體抓手具有質量輕、適應性強、成本低、無需復雜的控制方法等優點,同時軟體抓手由于其材料的特殊性其本質上對人類安全[14-17],如圖 1-2 所示。

  雖然與剛性抓手相比軟體抓手具有適應性強等一系列的優點,但是由于軟體抓手的主體材料主要為硅膠材料等其他超彈性材料,這些材料自身的剛度較低易變性,從而導致軟體抓手在抓取一些質量較大的物體時不能很好的保持固定的形狀,無法精準控制,負載能力較低,因此提高軟體抓手的負載能力與剛度是十分重要的[18].我們希望軟體抓手既能保持軟體較好的延展性又能具有剛性抓手負載能力大、形狀穩定等優點,實現軟體抓手的變剛度能力。在抓取的初始階段,軟體抓手的剛度較低,與被抓取物體進行較好的貼合,在進行提取時通過外界操作改變軟體抓手的剛度,使其負載能力有較大的提升,從而能對一些質量較大的物體進行抓取操作。這種可以調節軟體抓手自身負載能力與剛度的能力被稱為軟體抓手的變剛度能力[19-23].

  軟體抓手作為一種重要的夾持機構,對于擴展機器人的智能化與應用范圍有著十分重要的作用。面對實際操作中剛柔兼濟抓手的欠缺,本文結合實際需求、機器人學、新材料技術設計出一款基于層干擾技術的多腔體式氣動可變剛度軟體抓手,詳細介紹變剛度抓手的結構設計、仿真分析、實驗分析與理論分析,實現了設計、制造、仿真、實驗、分析一系列的產品開發過程。此抓手具有十分良好的變剛度效果與適應性,為軟體抓手的設計、理論分析等問題奠定了一定的基礎,推動了軟體抓手在實際中的應用,因此選題具有十分重要的意義與價值。

  1.2 軟體驅動器的研究現狀

  傳統的剛性抓手在實際應用中通常由電機、剛性桿件、鉸鏈等構件配合協同進行運作,其中電機是剛性抓手的主要驅動器。電機作為剛性抓手的驅動器,其存在有效載荷大、精度高等特點,不過其人機交互性較差,若要提高其人機交互性需要添加一系列高精傳感器與復雜控制系統,成本較高。軟體抓手主要材料為硅膠等超彈性材料,與剛性桿件不同,其理論上存在無限的自由度,存在十分良好的人機交互性,因此軟體抓手的驅動器與剛性抓手的驅動器存在一定的差異。

  軟體抓手的驅動器設計是研究軟體機械手的重要部分,軟體抓手的驅動器一般包括兩個部分:動力源、驅動結構,在設計軟體抓手的驅動器時首先需要確定動力源,再根據動力源設計合理的驅動機構,驅動機構一般為柔性介質。在軟體抓手的工作過程中,通常是由動力源傳遞動力至驅動機構,再由驅動機構將動力傳遞至被抓取物體。目前軟體抓手的驅動器種類較多,現階段關于應用廣泛的軟體抓手驅動器分類主要有流體驅動(FEA)、繩線驅動(TDA)、電活性聚合物驅動(EAP)、形狀記憶合金驅動(SMA)這四類[24,25]. 1.2.1 流體驅動軟體驅動器流體驅動:流體驅動(FEA)是指軟體抓手的動力源為流體,自然界中最常見的流體為液體與氣體,而在軟體抓手的設計中主要采用氣體作為動力源,因為與液體相比氣體具有更好的流通性、安全性更高、安全性更好。同時氣體驅動存在響應迅速、驅動介質易獲取、安全性更高、操作簡單等優點逐漸成為軟體抓手的主流驅動動力源。氣體驅動的原理是改變驅動機構內部的氣壓大小,由于驅動機構的超彈性,內部氣壓發生變化時驅動機構也發生形變,從而實現彎曲與延伸。

  大部分的氣體驅動采用的是正壓驅動,也存在負壓驅動,與負壓驅動相比正壓驅動更為容易控制。

  在氣體作為軟體抓手動力源時,抓手的驅動機構通常也分為兩個種類,(1):

  其中之一為多腔體結構,多腔體結構為一系列的超彈性材料制成的空腔結構連接而成,這些空腔結構內部連通,從而實現多個空腔結構內部的氣壓一致。通過改變空腔結構的材料、單個空間結構的薄壁厚度、空腔大小、空腔結構之間的間隙等參數來改變軟體抓手的變形情況。如圖 1-3 所示,2016 年中國科學技術大學研制出一款基于蜂巢結構的軟體抓手,其抓手是由一系列的類似于蜂巢的六邊形空腔結構構成,每個空腔結構中存在單獨的驅動氣源,通過控制這些氣源來實現軟體抓手的抓取工作[26,27].(2):另一種為纖維限制結構,纖維限制結構通常為單個空腔結構,空腔結構外部嵌入有纖維細線,在向內部充入氣體時,空腔結構將會膨脹與延伸,而纖維細線的存在限制了空腔結構的徑向膨脹從而只會發生延伸。

  同時可以改變纖維細線的纏繞方式、纏線角度來改變空腔結構的運動方式,實現彎曲、延伸與扭轉。如圖 1-6 所示,哈佛大學研制出一款基于纖維限制結構的軟體驅動器,此驅動器由多段空腔結構組成,每一段的纏線方式也存在不同從而運動形式也不相同,通過多段之間的配合運動實現驅動器的蠕動前進[28].

  1.2.2 線驅軟體驅動器

  繩線驅動:繩線驅動(TDA)通常指軟體抓手是在繩線牽引的作用下產生運動(彎曲或扭轉)的驅動方式。一般繩線在長度方向上的拉伸強度很大,而在徑向方向上容易彎曲柔軟性較高,十分符合軟體機器人的特性,故將繩線嵌入或者貼合在軟體機器人內部不會影響軟體本身結構的性能。一般軟體機器人內部存在特制軌道或引導槽用于繩線的放置與運動,在特制軌道與引導槽的內部一般存在幾個固定的點,用于繩線的固定,以防繩線在運動的過程中偏離既定的軌道。在外部電機或者其他動力源的作用下,繩線收縮,通過特制軌道與引導槽拉動軟體機器人的軟基體,從而使軟體機器人實現彎曲或者扭轉,進而抓取物體。如圖 1-4 所示,2012 年圣安娜高等學校通過觀察章魚的內部結構與運動形式,研制出一款仿生章魚機械臂,其機械臂的內部均勻存在四根繩線,用于機械臂的運動控制,能很好的實現類似于章魚臂的運動形式,并且通過歐 拉-伯努利梁方程建立了此軟體章魚臂的靜力學與動力學方式[29].2020 年俄亥俄州立大學研制出一款繩線驅動的變剛度軟體抓手,此抓手由三個手指組成,手指的內部骨架為 PLA 打印而成,骨架內部兩側有一系列的小孔用于繩線的引導,在外部電機的驅動下實現軟體抓手的彎曲,并且通過偽剛體模型建立了此軟體手指的彎曲理論模型[16].

  1.2.3 EAP 軟體驅動器

  電活性聚合物驅動:電活性聚合物驅動(EAP)的主體通常是一種在電力作用下能發生形變的新型材料,此種材料在高電壓的作用下其內部正負壓電子快速運動從而發生形變。由于材料材料性能的限制,一般此種軟體機器人的驅動部分被制成薄片形狀,嵌入到軟體抓手手指的內部。如圖 1-5 所示,巴黎綜合理工大學研發出一款基于電活性聚合物驅動的軟體抓手,此款抓手由兩個手指組成,在 3KV 的工作電壓下能抓取一些質量較小的物體,抓取效果較好[30].

  2016 年哈佛大學研制出一款基于 EAP 的軟體機械臂,此款機械臂由六段電活性聚合物組成,每段可獨立控制,從而增加軟體機械臂的靈活性,同時通過機器學習實現了路徑規劃[31].

  1.2.4 SMA 軟體驅動器

  形狀記憶合金驅動(SMA):形狀記憶合金是一類特殊材料,其內部的結構在兩種形態之間進行切換,在常溫下一般為易變性的馬氏體,而在高溫的情況下轉換為較為堅硬的奧氏體,在正常情況下形狀記憶合金易發生形變,類似于軟體機器人的軟基體,然而在一定溫度的作用下形狀記憶合金能恢復到初始狀態并且在恢復到初始狀態的過程中輸出力矩。一般形狀記憶合金制成的軟體抓手的結構較為簡單,其形變過程不受溫度以外的其他因素影響,性能穩定。如圖 1-6 所示,Yu She 等人在俄亥俄州立大學研發出一種基于形狀記憶合金的軟體抓手,并建立了相應的理論模型來分析此軟體抓手的抓取負載能力,并通過實驗進行的驗證分析[14].

  上述的四種軟體機器人主要的驅動方式:流體驅動、繩線驅動、電活性聚合物驅動、形狀記憶合金驅動,其都存在優點與一些缺點。(1)流體驅動:流體驅動通常采用的是氣體,液體驅動時液體介質成本較高,同時也會導致軟體機器人的質量大幅增加,影響軟體機器人的變形性能,而且采用液體驅動時對于軟體機器人的密封性有很高的要求。采用氣體作為驅動介質時主要優點如下:液體介質易獲取、成本低、安全無污染, 能實現軟體機器人的大變形、控制簡單、響應迅速[34].其主要的缺點在于:輸出力矩一般,同時采用氣體驅動時,軟體機器人的理論建模較為復雜,同時需要外部氣源為驅動提供動力,一般外部氣源體積較為龐大,從而導致軟體機器人的體積很難實現微型化。(2)繩線驅動:繩線驅動通常需要在軟體機器人內部嵌入繩線的通道與固定點,通過外部動力源的運行從而實現軟體機器人的變形[35].

  其主要優點:結構較為簡單、控制簡單、安全無污染,由于可以通過測量繩線的位移大小與軟體機器人內部的固定繩線的節點位置可以較為容易的建立軟體機器人的理論模型。主要缺點:由于繩線自身的特性導致繩線驅動很難實現軟體機器人的大變形,與流體驅動相同,外部的動力源體積較大,故很難實現軟體機器人的體積微型化。(3)電活性聚合物驅動:電活性聚合物驅動的主體材料為特制薄膜,需要外接高壓設備,故主要優點:結構緊湊,質量小,整體結構可以做到很小,在一些較小的工作環境中應用廣泛,能實現大變形[36].主要缺點:電活性聚合物材料需要在較高的電壓下才能工作,較高的電壓對于人機交互有很大的影響,同時電壓不穩定容易導致薄膜材料被擊穿從而失效,安全性差。(4)形狀記憶合金驅動:形狀記憶合金驅動需要在指定的溫度下實現,故其主要優點:抗干擾能力強,除了溫度以外其他因素對其的變形影響很小,其結構較為緊湊,有利于整體大小的微型化,同時能實現軟體機器人的大變形[35].主要缺點:溫度過高容易導致形變失效,同時其運動時的速度較慢,形變形狀較為單一,難以實現空間內的任意位姿變換。

  1.3 變剛度技術的研究現狀

  與傳統的剛性機器人相比,軟體機器人具有更高的靈活性與適應性,而這些靈活性與適應性的主要是由軟體機器人的本身材料性能決定的。組成傳統的剛性機器人的主要構件為剛性構件,能提供較大的力矩與精確的控制,構成軟體機器人的主要材料為硅膠材料,而硅膠材料本身剛度較低,能以承受較大的負載力與輸出較大的力矩,很容易受到外力的作用而發生形變。因此提高軟體機器人的剛度,保證其能保持穩定的形態與輸出較大的力矩也是軟體機器人的重要研究方向之一。

  目前對于軟體機器人變剛度方式主要可以分為三類:層干擾、阻塞原理、液態金屬[36-40],這三種變剛度的方式從原理角度上可以分為兩種,(1)增大摩擦力:

  此種方式主要是通過一些外界條件增大一些用于變剛度的物體之間的摩擦力,例如層干擾、阻塞原理,這兩種變剛度方式就是基于增大內部結構的摩擦力而實現的。(2)材料相變性:這種變剛度的原理就是基于構成軟體機器人的材料性能而實現的,液態金屬就是其中典型的材料相變性案例之一,通過在特定條件下材料的固液形態轉化來改變軟體機器人的剛度。

  1.3.1 增大摩擦變剛度

  層干擾技術:層干擾技術是一種變剛度效果好、易實現的變剛度方式,一般是由多層片狀結構與密閉空間構成。在負壓的作用下,密閉空間中多層片狀結構相互擠壓,產生很大的靜摩擦力,相當于形成一個較厚且具有一定長度的整體,從而增大軟體機器人的剛度,其結構原理如圖 1-7 所示[21].為了使軟體機器人剛度有較大程度的提升,可以在片狀結構上進行特殊處理,例如使用激光機在片狀結構上刻畫花紋,或者如圖 1-8 所示,通過改變片狀結構的排布方式、堆疊方式來實現不同的剛度變化[41].

  阻塞原理:采用阻塞原理實現變剛度的原理與層干擾技術類似,也是通過改變摩擦力的大小來實現,其主要組成為剛性顆粒、密閉空間。剛性顆粒主要為規則或不規則的類圓形顆粒,例如塑料圓球顆粒、咖啡豆等。在初始狀態中,密閉空間中存在剛性顆粒與空氣,具有良好的易變形性與流動性,在施加負壓后,內部空氣被抽離,剛性顆粒失去流動性相互擠壓而表現出穩定的結構,從而實現剛度的提升,其原理如圖 1-9 所示[42].如圖 1-12 所示,Loeve 研制出一款可變剛度的連接內窺鏡的機械臂[43],其主要由兩部分組成,一部分為彈性薄膜,另一部分為內部的細小顆粒,在外部真空泵的作用下,抽取細小顆粒之間縫隙中的空氣,從而顆粒之間相互擠壓,摩擦力增大從而限制顆粒的相對運動,機械臂的剛度大幅提升。

  1.3.2 材料相變性變剛度

  液態金屬:液態金屬變剛度方式一般是利用低熔點金屬的自身性能來實現變剛度效果[44,45].將低熔點合金嵌入軟體機器人內部,首先通過外部加熱手段使低熔點合金轉化為液態,再軟體機器人的形變達到指定形狀時對低熔點合金進行冷卻,此時低熔點合金轉化為固態,從而使軟體機器人表現出金屬的高剛度特性[46-48].

  上述三種主要的變剛度方式也都有著自身的特點與一些不足之處。(1)層干擾技術的主要優點:變剛度效果較好,操作簡單,負壓條件易實現,剛度大小可調。主要缺點:對于片狀結構的放置位置、空間大小有一定的要求,否則變剛度效果將會不理想。(2)阻塞原理的主要優點:變剛度效果好、負壓條件易實現、操作簡單,剛度大小可調。主要缺點:對于內部顆粒的大小、整體數量、鋪設厚度有一定的要求,而且在初始狀態下流動性很大,容易造成顆粒的排布不均勻。(3)液態金屬:采用液態金屬變剛度的主要優點:剛度變化效果十分良好。主要缺點:結構復雜,高溫條件的實現不易,剛度大小不可調。下述表格將從變剛度原理、結構復雜程度、變剛度效果、是否可調等方面來描述三種變剛度方式的特點[49].

  1.4 本文主要研究內容

  由上述研究現狀可知,面對一些形狀不規則、易碎的物體時,或者在一些特殊的工作環境中,軟體抓手與剛性抓手相比存在很多優勢,軟體抓手的靈活性、柔順性、安全性是剛性抓手所不能比擬的。與此同時,軟體抓手的負載能力比剛性抓手相比要小很多,在被抓取物體質量較大時一般軟體抓手并不能滿足要求,故而提高軟體抓手的剛度也是十分有必要的。理想中的軟體抓手既要有抓取過程中的靈活性又要提升在抓取物體之后剛度,實現"剛柔并濟"的性能。

  目前對于軟體機器人的研究主要集中于軟體機械臂,層干擾技術、阻塞原理、液態金屬等變剛度方式也主要應用于機械臂,而對于軟體抓手結構設計與變剛度的研究較少。本文提出一種基于層干擾技術的多腔體式變剛度軟體抓手,同時實現了軟體抓手抓取過程中的"柔"與操作的"剛",并且此款軟體抓手的剛度大小是可控的,通過控制內部負壓的大小來調節至所需的剛度大小。

  從結構設計、制作工藝、仿真分析、性能分析與理論建模等方面來研究此款變剛度軟體抓手,本文的主要研究內容如下:

 。1)本文設計的變剛度軟體抓手由三個手指組成,每根手指主要分為驅動部分與變剛度部分,驅動部分為多腔體式結構,變剛度部分是由軟基體與層干擾結構結合而成。對單根手指的主要部分結構進行了分析,同時對驅動部分與變剛度部分的制作工藝進行了詳細的描述;

 。2)驅動部分為單個手指的主要部分,而驅動部分是由硅膠材料制成,采用的硅膠材料由調配而成,通過單軸壓縮實驗與仿真分析得出硅膠材料本構方程的主要參數。通過仿真分析研究不同的結構參數對于軟體手指彎曲情況的影響,從而得出合適的驅動部分結構參數。搭建實驗平臺,通過實驗得出在不同的氣壓下軟體手指的彎曲情況,與仿真分析結果進行比較,驗證了仿真的可行性與變剛度部分對于驅動部分彎曲情況的影響;

 。3)基于上述的硅膠材料本構方程,通過理論推導與實驗結果得出軟體抓手的彎曲理論模型,得出內部氣壓大小與軟手指彎曲角度之間的關系,為以后軟體抓手的抓取過程奠定基礎;

 。4)搭建實驗平臺,通過實驗得出在不同的負壓條件下軟體抓手負載能力的變化情況,結果表明本文中的變剛度軟體抓手負載能力能提升約 10 倍。同時通過理論推導與實驗分析求出軟體抓手在不同負壓條件下的剛度變化情況,繪制相關曲線,結果表明軟體抓手的剛度提升了約 11 倍,變剛度效果與負載能力的提升效果良好。

  第二章 結構設計與實物制作

  2.1 結構設計

  2.1.1 整體結構設計

  2.1.2 驅動部分結構設計

  2.1.3 變剛度部分的結構設計

  2.2 制作工藝

  2.2.1 制作材料的選擇與準備

  2.2.2 制作過程

  2.3 本章小結

  第三章 手指彎曲性能研究

  3.1 硅膠材料的本構模型

  3.1.1 基本理論

  3.1.2 硅膠材料的單軸壓縮實驗與實驗結果分析

  3.1.3 硅膠材料本構關系的仿真分析

  3.2 軟體手指結構參數的確定與仿真分析

  3.2.1 驅動器參數的確定

  3.2.2 驅動器仿真分析

  3.3 彎曲試驗與理論模型

  3.3.1 手指彎曲角度實驗

  3.3.2 手指彎曲角度的理論分析

  3.4 本章小結

  第四章 變剛度軟體抓手的剛度變化

  4.1 負載能力實驗

  4.2 抓手負載能力實驗數據分析

  4.3 變剛度理論模型

  4.4 本章小結

第五章 總結與展望

  5.1 總結

  軟體抓手作為近年來科研人員的研究熱點之一,在面對一些表現形狀不規則、易碎物體或者抓取環境較為苛刻情況下能表現出良好的實用性。本文結合目前一些軟體抓手的不足之處與實際應用過程中對軟體抓手的需求,以及參考一些軟體機器人研究前沿的學術論文,提出了一款可變剛度的多腔體式軟體抓手。本文設計的變剛度軟體抓手主要表現出兩個特點:(1)在多腔體式軟體驅動器內部正壓的控制下表現出良好的柔軟性,能與被抓取進行很好的貼合。

 。2)在變剛度模塊內部負壓的控制下,軟體抓手的自身剛度將會發生變化,從而提升軟體抓手的負載能力,可以根據被抓取物體的質量來調節自身的剛度大小。此款變剛度軟體抓手既能很好地表現出軟體機器人的適應性、柔軟性、安全性,又能表現出傳統機器人剛性的一面,使其實現剛性與柔性的兼濟,極大地拓寬了軟體抓手的應用空間。本文從結構設計、制作過程、硅膠材料性能參數的測定、彎曲試驗與理論推導、負載試驗與剛度模型等方面來對此款變剛度軟體抓手進行了詳細的描述。以下為本文主要研究內容與成果:

 。1)對多腔體式軟體驅動器、不可延展層進行結構設計,同時確定這部分的尺寸大小,接著對變剛度部分的軟基體支撐層、層干擾進行結構設計,確定軟基體支撐層的尺寸大小與層干擾的材料類型。

  確定軟體抓手軟基體部分的材料種類,對 Dragon-skin30 硅膠材料制成的實驗塊進行單軸壓縮試驗,選擇兩種超彈性材料本構方程:M-R 型、Yeoh 型來描述壓縮過程,實驗證明 Yeoh 模型能更好的體現此種材料的應力-應變過程,并且求出Yeoh 模型下的材料參數。同時為了驗證壓縮實驗測得的材料參數的準確性,通過仿真分析來模擬整個過程,將模擬結果與實際結果進行比較,驗證了實驗的準確性。

 。2)根據上述測得的材料參數,對軟體驅動器的彎曲過程進行仿真分析,驗證了上述結構設計的合理性,在內部正壓達到 40Kpa 時軟體驅動器就能表現出較大的彎曲角度。將軟體驅動器與變剛度部分進行結合之后再對整個軟體手指的彎曲性能進行研究,建立實驗平臺測定在不同正壓下軟體手指的彎曲角度,建立理論模型并且分析推導出軟體手指內部正壓大??與手指彎曲角度??之間的關系,并與實驗結果進行比較驗證,實現了軟體手指彎曲角度的完全可控。

 。3)建立實驗平臺,對軟體抓手的負載能力進行實驗,分別在不同的內部負壓下測取軟體抓手的最大負載,從而確定變剛度部分對軟體手指的剛度提升效果。實驗結果表明在內部負壓達到 8Psi(55.12Kpa)的情況下,軟體抓手的最大負載能力提升了 10 倍,軟體抓手的剛度提升了約 11 倍,說明變剛度模塊的結構設計具有很好的剛度調節效果,極大地提高了軟體抓手的負載能力,達到了預期的目標。同時對軟體手指的變剛度模塊進行理論建模,通過理論分析推導內部負壓大小與剛度提升效果之間的數學關系,實現軟體抓手剛度效果的可控。

  5.2 創新點

  本文設計出的變剛度軟體抓手以及一些理論分析的主要創新點如下:

 。1):將多腔體式結構的軟體驅動器與層干擾結構相結合,實現了軟體手指的變剛度效果,剛度提升了約 11 倍,極大的提高了軟體抓手的負載能力。 (2):變剛度部分的設計包括層干擾結構與軟基體結構,軟基體結構既能將層干擾結構與驅動器部分隔離開一定的距離,又能實現部分變剛度效果。

 。3):在考慮自身重力的情況下,推導出軟體手指內部正壓與軟體手指彎曲情況之間的關系,并引導入修正系數,并通過實驗數據進行求解。

 。4):通過虛擬梁理論推導出軟體手指內部負壓大小與軟體手指彈性模量之間的關系,與上述結果相結合得出軟體手指運動學與動力學的模型。

  5.3 展望

  作為軟體機器人領域的重要研究方向之一,軟體抓手對于一些特殊的被抓取物體時能表現出很好的性能,能很好地彌補傳統的剛性夾爪的一些不足之處。本文設計的一款變剛度軟體抓手將一般軟體抓手的性能與傳統的剛性夾爪的優點相結合,實現了自身彎曲過程與剛度變化過程的可控,并取得了一定的成果,不過仍然存在一些不足之處值得繼續研究:

 。1)軟體抓手的驅動部分為多腔體式結構,腔室之間也全部連通,從而導致軟體抓手在無外力的作用下的彎曲過程比較單一,一定程度上限制了軟體抓手的靈活性。所以在后續的研究中可以對此部分結構進行改進,可以將軟體手指的驅動部分劃分為幾個部分,各個部分可以獨立彎曲,從而提升軟體手指的靈活性。

 。2)軟體抓手的變剛度部分組成為軟基體與層干擾結構,軟基體的其中一個作用為了將層干擾結構與驅動器隔開一定的距離,后續可以對軟基體材料的改變、結構形狀、厚度大小等參數進行研究,觀察這些參數的改變對軟體抓手剛度提升的效果。

 。3)在建立軟體抓手彎曲過程的數學模型時,在進行力矩平衡計算的過程中,我們假設驅動器軟基體的形變是均勻的,實際在彎曲過程中軟基體的形變在各個部分是存在差別的,后續可以對這一部分進行改進優化,建立更為精準的數學模型。

致謝

  時光荏苒,三年的研究生生活很快就過去了,即將結束校園生活進入社會。

  回憶起這三年生活的點點滴滴,時時刻刻都會收到來自學校、老師、同學的幫助與支持,在這些支持與鼓勵下我也收獲頗豐。首先十分感謝我的導師黃昔光教授,黃老師在三年的研究生生活中的一直都在給予我最大的支持,從選題到論文的完成都在幫助我穩步推進。在整個研究過程中黃老師為實驗儀器選擇、制造材料購置、實驗平臺搭建等方面給予了很大的心思投入,在研究過程中能及時的發現錯誤并提出改進方案,同時黃老師的研究成果與指導意見幫助我在迷茫時擺脫困境,黃老師嚴謹的學術思維、端正的學術態度也是我學習的榜樣,指導我不斷進步。

  再次衷心的感謝黃昔光老師的辛苦付出與諄諄教導。

  感謝蘇海軍教授在課題研究過程中的指導意見,一些關鍵技術的分享,在一些研究思路上給予建設性的意見,蘇教授的研究成果與學術論文也幫助我解決了很多困難,使我受益匪淺。

  在此感謝實驗室的馬朝陽師兄、劉聰聰師兄、楊子強師兄、邢玉奇師姐對我的幫助,李曉然、齊夢雷、吳一帆、張亮、張琪師弟師妹們以及同窗劉東裕,在這三年中對于我科研工作與論文撰寫的支持,共同營造了一個和諧的實驗室氛圍,感謝任夢琪同學在研究生期間對我的默默支持,從而度過了難忘的三年研究生生活。

  最后感謝我的父母,在這三年里默默地站在我的背后,給予了我極大的支持,讓我能順利完成三年學業,感謝他們的付出。

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