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一種波紋管型氣動軟體機械臂的結構設計與性能研究

添加時間:2021/09/15 來源:未知 作者:樂楓
本文研制了一款基于波紋管結構的氣動軟體機械臂,并對其性能進行了研究。
以下為本篇論文正文:

 

摘要

  剛性機器人常被應用于高精度裝配,自動化生產線的常規流水任務或完成特定環境中的相關作業,但其變形能力和柔順性能很難適應未知的復雜多變環境。與剛性機器人相比,軟體機器人在實現與環境安全交互、受限空間內靈巧操作以及非結構化物體的抓取等方面具有明顯的優勢,因此本文研制了一款基于波紋管結構的氣動軟體機械臂,并對其性能進行了研究。主要工作內容如下:

  本文首先提出一款具有分段式結構的波紋管型氣動軟體機械臂,針對設計的軟體機械臂單元,探索了一套與之。匹配的制造工藝;通過單軸拉伸試驗確定了超彈性材料TPU的Ogden本構模型材料參數,利用有限元分析軟件建立驅動器的有限元模型,仿真了不同驅動氣壓下驅動器的彎曲角度,并通過該模型分析了結構參數對于驅動器彎曲性能的影響規律。

  搭建性能測試實驗平臺,對制作的三節軟體機械臂單元分別進行彎曲變形角度與驅動氣壓的關系、阻擋力與驅動氣壓的關系測試。實驗結果表明,驅動氣壓與彎曲變形角度、驅動氣壓與阻擋力之間都存在線性關系。最后將三節軟體機械臂單元按順序組裝成完整的軟體機械臂,利用動物腹腔模型展示了其靈活性。

  采用修正的D-H表示法對軟體機械臂單元和軟體機械臂的運動學進行了建模,對其彎曲變形姿態進行了仿真,最后利用蒙特卡洛法求解其工作空間,得出了軟體機械臂單元的工作空間是一-個三維球殼,而軟體機械臂的工作空間是一個實心的球體。

  關鍵詞:軟體機械臂: 3D打印技術:波紋管結構: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 錄

  1 緒論

  1.1 研究背景及意義

  隨著科學技術的快速發展,機器人與人類的關系越來越緊密,對人類社會的進步起到了至關重要的作用。機器人除了在制造業、農業、航空航天和教育等方面的應用外,隨著材料技術和計算機技術的發展,科學家們將機器人相繼引用到手術室、地震搜救等場合[1].

  傳統機器人的研究以剛性結構為主,通常由電機、關節和鉸鏈等剛性構件組裝而成,如圖 1-1(a)所示,其形狀能適應特定的外部約束,具有定位準、精度高、執行力強等特點,這些剛性機器人常應用于高精度裝配,自動化生產線的常規流水任務以及完成特定環境下相關作業,但其可變形能力和柔順性能較難適應未知的復雜多變環境[2].隨著人們對機器人的安全問題越來越重視,對其彎曲能力和安全性能要求越來越高,需要其根據受限環境改變自身形狀,而傳統的剛性機械臂顯然不能滿足需求。

  近些年來,研究人員受象鼻、章魚臂等的啟發而研制出了軟體機械臂,如圖 1-1(b)所示。軟體機械臂主要由輕質、柔軟的材料組成,如硅橡膠、形狀記憶合金、電活性聚合物等;其常見的驅動方式包括線驅動、氣體驅動、溫度驅動、電驅動等[3].相比于剛性機械臂,軟體機械臂主要具有以下優勢:(1)理論上有無限多的自由度,其高度靈活的運動能力可以很容易實現復雜的位姿;(2)極強的環境適應能力,可以通過主動變形與障礙物相適應;(3)具有良好的柔性接觸特性,適用于軟、易碎或復雜物體抓取等[4].軟體機械臂具有許多明顯的優勢,因此本文研制了一款基于波紋管結構的氣動軟體機械臂。

  本文提出的利用 3D 打印技術制造氣動軟體機械臂,首先采用 3D 打印技術可以解決傳統鑄造技術制作的軟體機械臂結構簡單的問題,在一定程度上提升了軟體機械臂的運動空間;其次選用肖氏硬度較大的 3D 打印耗材,能夠在一定程度上提升軟體機械臂的剛度,并且能夠提高軟體機械臂的輸出力與控制精度;最后利用 3D 打印技術制作軟體機械臂能夠保證其制作的一致性,減少了人手工的參與程度,這將對軟體機械臂的研究提供新思路。

  1.2 研究現狀及分析

  軟體驅動器作為軟體機械臂結構中最重要的組成部分,本節將從其結構設計和制作方法兩個角度梳理近年來國內外學者的主要研究成果。

  1.2.1 軟體驅動器結構設計發展現狀

  軟體驅動器的結構形式將決定軟體驅動器的變形形式與驅動性能,目前具有代表性的結構形式主要有彈性氣室結構、波紋結構、折疊/褶皺結構、纖維約束結構等[5].因此,本節將對上述四種軟體驅動器結構的驅動原理與驅動性能進行分析。

  1) 彈性氣室結構軟體驅動器Marchese 等人[6]提出了一種由硅橡膠制作的平面連續型軟體驅動器,它由多個單元組成,每個單元有兩個彈性體氣室,給一個氣室充氣膨脹時單元會向另一側彎曲變形,如圖 1-2(a)所示;Martinez 等人[7]將此結構進行了擴展,在每個單元的中心軸對稱分布三個彈性氣室,然后將多個單元串聯形成具有三維變形能力的軟體驅動器,如圖 1-2(b)所示。

  彈性氣室結構在氣壓作用下的膨脹會使軟體驅動器彎曲變形,但氣壓對外做功的效率較低,可通過限制彈性體氣室沿徑向膨脹來提升氣壓對外做功的效率。Miron 等人[8]提出了一種磁-氣共振的驅動器,該結構由模制聚合物結構和氣動人工肌肉組成,其中人工肌肉帶有限制徑向膨脹的徑向增強肋;而 Correll 等人[9]在設計彈性氣體腔室時增加了許多相互連通的矩形薄壁橫截面以限制其徑向膨脹;Mosadegh B,Polygerinos P 等人[10]通過優化傳統的彈性氣室(sPN),提出了快速響應軟體驅動器(fPN)。fPN 由連續腔體和限制伸長層兩部分組成,其中連續腔由沿軸向排布的許多獨立的彈性腔體組成,每個彈性腔體連接到一個中空通道,當連續腔體在氣壓的作用下膨脹時相鄰兩個腔相互擠壓,并在限制伸長層作用下發生彎曲運動,如圖 1-3 所示。

  基于彈性氣室的軟體驅動器結構主要使用具有低硬度且高延展率的橡膠類材料[11],該結構主要有結構緊湊且柔順性好的優勢,但存在承載能力以及驅動力相對較低的不足。

  2)波紋結構軟體驅動器由低模量超彈性材料制成的軟體驅動器具有更好的柔順性,但存在剛度低和承壓有限的問題,此問題可以通過增加材料的模量來解決,但是增加材料的模量又會降低其延展性,從而影響驅動器的變形能力。為解決這一矛盾,研究人員在設計軟體驅動器的結構時引入了波紋結構,波紋結構的特點是在波紋的脊谷處有較大的剛度,而在波紋起伏的方向剛度較小。

  因此,通過設計波紋結構的方向可以實現軟體驅動器在不同位置的剛度,從而在氣壓的驅動下產生定向彎曲[5].

  Festo 公司利用波紋管氣動人工肌肉驅動器制造了一款象鼻形狀仿生連續體機械臂[12],如圖 1-4(a)所示;Bryan N Peele 等人[13]利用柔性光敏樹脂通過光固化 3D 打印技術制作了結構為半波紋管的軟體驅動器,給驅動器充氣時,波紋管側膨脹伸長從而實現驅動器的彎曲變形,如圖 1-4(b)所示。

  Hong Kai Yap 等人[14]利用熔融沉積成型技術,將肖氏硬度為 85A 的 TPU 超彈性材料,直接打印制成軟體驅動器。通過修改模型和打印參數,可以打印只能單側彎曲的單波紋管驅動器和能夠在平面內雙向彎曲的雙波紋管驅動器,如圖所示 1-4(c)所示。相對于傳統制作軟體驅動器的方法來說,這種方法不僅大大減少了制作流程,能夠保證制作的驅動器的一致性;同時選用模量較高的制作材料,讓驅動器的力輸出能力有了很大的提升;文力研究團隊[15]利用硅橡膠材料鑄造出了一款波紋管軟體驅動器。軟體驅動器除了能夠實現彎曲運動外,Scharff 等人[16]還提出了一種螺旋狀波紋結構軟體驅動器,充氣時該結構能夠實現扭轉運動。

  與彈性氣室驅動器相比,波紋結構驅動器有驅動效率高、小應變可以產生大變形以及制作材料范圍廣的優點。波紋結構驅動器的靈活性、良好的抗扭性能和較好承載能力與驅動力使其更適用于軟體機械臂[17,18],以及較大載荷的軟體機械手[14].

  3)折疊/褶皺氣動軟體驅動器折疊/褶皺結構在變形過程中有很高的形變率,人們將這種結構引入到軟體驅動器的結構設計。該結構在變形過程中對材料的變形能力要求比較低,在材料選擇時既可以選用模量低的橡膠材料,也可以選擇模量高的柔性材料,甚至可以選擇不可延展但容易彎曲的薄膜材料[5].

 。1)正壓展開軟體驅動器結構正壓驅動的折疊/褶皺氣動軟體驅動器通常以某種形式折疊或壓縮,給驅動器充正壓時會以一定的形式膨脹變形。Li 和 Wang 等人[19]受植物細胞結構啟發,設計了一種具有形狀變形和剛度調整的自適應流體折紙驅動器。設計理念是將多個 Miura 單元沿著折痕線連接起來,形成新的三維拓撲結構,其內部流體體積與整體構造變形的關系主要由褶皺運動決定,所以流體折紙驅動器可以通過主動改變內部流體體積來實現驅動/變形,并通過控制流體體積來實現剛度調整,結構如圖 1-5 所示。

  Woongbae Kim 等人[20]受鵜鶘鰻的啟發,利用硅橡膠設計制作了一種折疊驅動器,該驅動器可以實現極高的變形率(展開階段 800%,最終累計 1300%的伸長率);Daerden 和 Lefeber等人[21]設計了一種褶皺式氣動人工肌肉(PPAM),它的主要特點是其褶皺的膜可以在沒有材料拉伸和摩擦的情況下膨脹,在垂直于其對稱軸的方向上幾乎沒有應力,這種結構在展開過程不需要多少能量,因此具有很高的驅動效率、較大的輸出力(0~3500N)和收縮率(40%)以及較小的起始驅動氣壓,如圖 1-6 所示。

  A. Manuello Bertetto 和 Tri Vo Minh 等人[22,23]對該結構驅動器力學行為進行深入的理論和應用研究,但因其較大的徑向膨脹率而難以實現緊湊的結構,因此其應用相對有限[24].

 。2)負壓屈曲折疊軟體驅動器結構氣動軟體驅動器不僅可以利用正壓驅動,還可以利用負壓驅動。負壓驅動的氣動軟體驅動器是通過氣腔內外壓力差的作用實現定向屈曲、收縮和折疊,從而實現定向驅動功能。

  Whiteside 團隊[17]設計出了一種由結構屈曲驅動的氣動軟體驅動器,其工作原理是給驅動器內腔抽真空時,軟體驅動器會在外界與內部空腔壓力差的作用下發生彎曲并折疊,并產生收縮力,如圖 1-7 所示;焦等人[25]設計了一種負壓驅動的軟體氣動扭轉驅動器(V-SPTA),通過V-SPTA 的不同組合,驅動器可以實現伸縮、扭轉和彎曲等運動,V-SPTA 單元如圖 1-8 所示。

  Robertson 和 Paik[26]設計了一個由負壓驅動的三自由度氣動軟體驅動器模塊,它用一個負壓源可以實現具有多個自由度和多種功能的復雜軟體機器人系統;Robert J. Wood 等人[27]

  提出了一種以折紙為靈感的真空流體驅動器;Deshpande 等人[28]設計了一種基于折紙原理的雙向負壓軟體驅動器;Lee 和 Rodrigue[29]提出了一種基于折紙的真空氣動人工肌肉(OVPAM),它可以產生較大的力(>400N)和超過 90%的收縮率。

  負壓屈曲收縮的軟體驅動器在驅動時體積不會膨脹,很大程度上降低了對工作空間的要求,使用起來更加靈活方便,可以用于如微型手術設備、可穿戴外骨骼以及深海機械臂等場景[27];但折疊/褶皺結構驅動器存在應力集中問題,這會嚴重影響驅動器的壽命。

  4)纖維約束氣動軟體驅動器纖維約束的氣動軟體驅動器最重要的特征是其彈性腔被袖套式或嵌入式纖維、織物或其它類似纖維的結構約束和增強,這些約束結構通常具有各向異性的性能。因此,當軟體驅動器的氣壓增加時,通過設計的纖維結構將約束彈性氣腔產生各向異性的膨脹和變形,從而實現特定形式的變形運動[5].

 。1)編織式袖套約束結構McKibben 型氣動人工肌肉(PAM)是最早設計且最典型的一種梭織型氣動軟體驅動器[30];Thomas E. Pillsbury 等人[31]基于 PAM 研究了收縮型和伸長型的氣動人工肌肉,兩種類型的氣動人工肌肉都由一個編織套管和一個彈性體內腔組成,如圖 1-9 所示。

  管等人[32]在象鼻的啟發下,提出并分析了一種彎曲螺旋伸展型(HE-PAMs)/螺旋收縮型(HC-PAMs)氣動人工肌肉;Zhu 等人[33]通過縫制將彈性管嵌入在兩層柔軟織物中間,提出了一種流體織物肌肉(FFMS)軟體驅動器;Erick J Ball 等人[34]設計了類似于傳統 McKibben 肌肉的基于針織網套編織結構的氣動軟體人工肌肉,在膨脹時能夠約束其周向膨脹,但是紗線之間存在的滑動摩擦會導致能量損耗。

 。2)嵌入式纖維增強結構嵌入式纖維增強結構可以使用一組或多組纖維進行纏繞排列,通過澆鑄硅膠等軟體基體,將其埋入軟體驅動器壁內與驅動器合成在一起,從而使結構更緊湊。纖維固定在驅動器基體內壁,其排列形式比較靈活,根據纖維排布不同的方式,驅動器能夠實現扭轉、伸長、收縮、彎曲、螺旋等運動[5].

  Koichi Suzumori 等人[35]在 20 世紀 80 年代研發了一款用纖維增強橡膠制造的適用于微型機器人的柔性微驅動器(FMA, flexible micro-actuator),通過控制三個腔室的壓力,FMA可以向任何方向彎曲,還可以完成俯仰、伸長或者扭轉運動;楊慶華等人[36]設計了一款在彈性橡膠基體內嵌入螺旋鋼絲的氣動柔性驅動器(FPA, flexible pneumatic actuator),并基于FPA 開發了氣動柔性彎曲關節、扭轉關節和球面關節以及氣動柔性靈巧手;Connolly[37]和Bishop-Moser[38]等人對兩組不同角度的纖維增強軟體驅動器的變形行為和力學輸出特性進行了相關的理論和實驗研究;另外,Bishop-Moser 等人[39]還設計了一款蛇形驅動器,它是通過使用單根纖維在軸向單側或螺旋增強兩組纖維纏繞增強的驅動器,并深入研究了三組纖維增強的纏繞角度與驅動器性能之間的關系,蛇形驅動器結構如圖 1-10 所示。

  纖維約束的氣動軟件驅動器具有結構簡單,輸出比(輸出力/重量)高,工作氣壓高的優點,但是在編織結構內部、套筒和彈性基體之間的摩擦使驅動器具有滯后效應[40].嵌入式纖維增強驅動器則沒有遲滯效應,但纖維與彈性基體之間的約束也會影響軟體驅動器的變形能力[11].對于嵌入式纖維增強驅動器,可以將纖維與驅動器集成在一起,讓整體結構更緊湊且更易于小型化[41];通過直接纏繞的方式排布纖維,讓排布方式更加靈活多樣,讓驅動器的穩定性更好、更易于標準化生產[42].

  1.2.2 軟體驅動器制作工藝發展現狀

  軟體驅動器主要使用柔性材料制作,與傳統剛性機械臂的加工方法完全不同,通過查閱文獻可以得知,軟體驅動器的加工制造方法主要有機械加工、澆鑄成型和增材制造等[43].以下將對氣動軟體驅動器的主要制作方法進行介紹。

  1)機械加工一些氣動軟體機械臂和軟體驅動器可以使用商業材料通過機械加工制造,例如McKibben 型氣動人工肌肉,該方法主要依靠諸如連接器之類的機械結構進行組裝和密封,具有生產效率高,成本低,易于拆卸和維護的優點;但是比較耗費人工[42],并且由于密封的連接結構需要占據一定的空間和質量,因此在軟體機械臂和軟體驅動器的小型化與集成化設計中存在一些困難。隨著 3D 打印技術在機械裝配類軟體機械臂和軟體驅動器中的應用,讓其已經達到了一定程度的輕量化,并降低了相應的人工成本[32].

  2)澆鑄成型超彈性材料(例如硅橡膠)在軟體驅動器中的廣泛使用,讓各種鑄模成型方法應用于軟體驅動器的制造過程。最常見的是重力澆鑄成型方法,其制作出的軟體驅動器最小尺寸可以達到數百微米[44],但澆鑄過程中氣泡的存在會嚴重影響其性能,所以澆鑄前的真空除泡過程[45]就顯得非常的重要;單軸離心澆鑄[46]的引入使得鑄造復雜結構成為可能,但為脫模過程帶來了巨大的困難。為解決復雜結構的成型問題,研究人員引入了分體式模具[6]、柔性芯模[47]

  等方法,以便于脫模。而可溶[48]和熔性[49]等可去除模具的使用則進一步提高了軟體驅動器鑄模成型的復雜度和便利性。澆鑄成型方法適用于軟體驅動器的一體化制造,以提高其緊湊性和集成性;但是對于復雜的結構,模具的設計、生產、澆鑄和脫模過程會更加繁瑣和復雜。

  3)增材制造近年來,隨著 3D 打印技術的發展,它以其快速、便捷特性吸引了軟體機械臂研究人員的關注。立體光刻技術(stereo lithography, SLA)、數字光處理技術(digital light processing, DLP)、連續液面生長成型技術(continuous liquid interface pro-duction, CLIP)等[50]都是利用通過改性的柔性光敏樹脂來制造軟體驅動器[51],實現軟體機器人的自動化快速成型制造[13].

  對于氣動軟體驅動器,熔融沉積成型[14]和選擇性激光燒結[16]兩種技術都可以利用熱塑性柔性材料(例如 TPU 材料)打印制造,但是熔融沉積成型技術對打印耗材的硬度有要求,通常要求肖氏硬度為 80A 以上,否則耗材的進給機構容易發生堵塞等問題。

  噴墨 3D 打印技術(Ink Jet)是通過噴嘴逐層噴射的樹脂沉積形成三維立體結構,例如Poly Jet 技術,它可以實現更好的精度和速度,并且可以使用類似橡膠的樹脂和其它材料制作軟體驅動器[52];直接書寫打印是利用具有一定剪切稀化特性的黏性材料,通過螺桿或氣壓對其進行擠壓,然后逐層堆疊以形成三維結構[53].

  綜上所述,隨著 3D 打印技術和 3D 打印材料的發展與低成本化,結構設計的形式與可以使用的材料種類越來越多,增材制造將成為軟體驅動器制造的重要方法。

  1.3 主要研究內容

  第 1.2 節從軟體驅動器結構設計和制造方法兩個角度對軟體機械臂的研究現狀進行了分析,總結了各類軟體驅動器結構與制造方法的優缺點。在此基礎上,本文以建立具有多自由度靈活運動的軟體機械臂為目標展開研究,主要研究內容如下:

  第 1 章 緒論。首先介紹本文的研究背景及意義,然后從軟體驅動器結構設計和制造方法兩個角度對其研究現狀進行分析,總結了各自的優缺點,進而確定本文研究的主要內容。

  第 2 章 軟體驅動器結構設計及制造工藝。首先從功能需求出發制定設計目標,設計了一款主要由波紋管軟體驅動器基體組成的軟體驅動器。針對軟體驅動器,詳細介紹了其結構組成及工作原理;并探索了一套利用 3D 打印技術制造軟體驅動器基體的參數和組裝軟體驅動器的制作工藝。

  第 3 章 軟體驅動器靜力學分析與結構優化。軟體驅動器基體作為軟體驅動器的主要組成結構,由熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(Thermoplastic Urethane,TPU)材料制成。本章首先利用單軸拉伸實驗確定了超彈性材料 TPU 的 Ogden 本構模型的材料參數;然后利用有限元分析軟件對軟體驅動器進行了彎曲變形仿真;最后依據 3.2 節建立的軟體驅動器有限元模型,利用控制變量法得出了結構參數對軟體驅動器彎曲性能的影響規律。

  第 4 章 軟體機械臂構建及性能研究。首先介紹了軟體機械臂單元的制作流程;接著在2,3 章研究的基礎上制作了三節軟體機械臂單元;然后對制作的三節軟體機械臂單元進行彎曲變形角度與驅動氣壓的關系和阻擋力與驅動氣壓的關系測試;最后將三節軟體機械臂單元按順序組裝成完整的軟體機械臂,并利用實例展示其靈活性。

  第 5 章 軟體機械臂運動學與工作空間分析。本章主要利用修正的 D-H 表示法對軟體機械臂單元和軟體機械臂運動學建模,并通過 Matlab 進行仿真,最后利用蒙特卡洛法求解了各自的工作空間。

  第 6 章 結論。首先對全文主要工作做了總結,并對后續工作進行了展望。

  2 軟體驅動器結構設計及制造工藝

  2.1 軟體機械臂總體設計

  2.2 軟體驅動器結構設計

  2.3 軟體驅動器制造工藝

  2.3.1 軟體驅動器工藝

  2.3.2 軟體驅動器制造

  2.4 本章小結

  3 軟體驅動器靜力學分析與結構優化

  3.1 TPU 材料超彈性本構模型

  3.1.1 彈性力學理論

  3.1.2 Yeoh 本構模型和 Ogden 本構模型

  3.1.3 TPU 材料參數測定

  3.2 軟體驅動器的有限元仿真

  3.3 軟體驅動器結構優化

  3.3.1 氣囊壁厚對彎曲性能的影響

  3.3.2 驅動器長度對彎曲性能的影響

  3.3.3 波紋管圓心角對彎曲性能的影響

  3.3.4 波紋管扇形半徑對彎曲性能的影響

  3.3.5 內骨片外徑對彎曲性能的影響

  3.3.6 氣囊壁傾角對彎曲性能的影響

  3.3.7 氣囊間距離對彎曲性能的影響

  3.3.8 氣囊厚度對彎曲性能的影響

  3.3.9 氣囊內壁有無凸起對彎曲性能的影響

  3.4 本章小結

  4 軟體機械臂構建及性能研究

  4.1 軟體機械臂單元制作流程

  4.2 軟體機械臂單元尺寸確定及制作

  4.3 軟體機械臂單元封裝

  4.4 軟體機械臂單元性能測試

  4.5 軟體機械臂靈活性展示

  4.6 本章小結

  5 軟體機械臂運動學與工作空間分析

  5.1 軟體機械臂單元運動學建模

  5.2 軟體機械臂單元運動學仿真

  5.3 軟體機械臂單元工作空間分析

  5.4 軟體機械臂運動學建模及仿真

  5.5 軟體機械臂工作空間分析

  5.6 本章小結

6 結論

  6.1 結論

  軟體機械臂在與環境實現安全交互、狹小空間的靈活操作以及抓取非結構化物體等方面較傳統剛性機械臂都有明顯的優勢,因此本文研制了一款由 3D 打印技術制造的氣動波紋管型軟體機械臂。利用 3D 打印技術可以制作結構復雜的軟體機械臂,從而提升其運動空間;選用肖氏硬度為 85A 的柔性打印耗材可以在一定程度上提升軟體機械臂的剛度,輸出力以及控制精度;利用 3D 打印技術可以減少人手工的參與程度,保證軟體機械臂的一致性。

  本文首先分析了現有制作軟體機械臂時采用的結構和制作方法,通過對比發現波紋管結構和 3D 打印技術符合本文的設計要求;然后設計了一款波紋管結構的軟體機械臂,并探索出了一套與之相適應的制造工藝;接著以 TPU 超彈本構模型為依據建立有限元模型,并利用有限元模型分析結構參數對軟體驅動器彎曲性能的影響規律,以及利用修正的 D-H 表示法建立軟體機械臂的運動學模型,利用蒙特卡洛法求解其運動空間;最后根據有限元仿真得出的結論和實際工作需要,制作了三節軟體機械臂單元。本文主要的研究內容及相關結論如下:

 。1)首先本文提出了具有分段式結構的氣動波紋管型軟體機械臂,組成軟體機械臂的單元主要采用柔性材料制作,當氣壓作用于軟體機械臂單元時可以實現任意方向和連續角度的彎曲變形;針對所設計的軟體機械臂單元,本文探索出了一套與之相適應的制造工藝,主要流程包括:軟體驅動器基體的三維模型的構建、利用 3D 打印機制作軟體驅動器基體、內外骨片和端蓋的設計與制作、軟體驅動器的組裝、硅膠膜的鑄造及軟體機械臂單元的封裝等。

 。2)通過對制備軟體驅動器基體使用的 TPU 材料進行拉伸實驗,以類橡膠材料超彈性本構 Ogden 模型為理論基礎,利用有限元分析軟件,建立了軟體驅動器單元的有限元模型,通過該模型分析了結構參數對于驅動器彎曲性能的影響,得出了以下結論:當在滿足驅動器結構要求和打印要求時,在相同的驅動氣壓下,壁厚越薄,驅動器的彎曲能力越強;驅動器長度越長,驅動器的彎曲能力越強;波紋管圓心角越大,驅動器的彎曲能力越強;波紋管扇形半徑越大,驅動器的彎曲能力越強;內骨片外徑越小,驅動器的彎曲能力越強;氣囊壁傾角越大,驅動器的彎曲能力越強;氣囊間距離越小,驅動器的彎曲能力越強;氣囊厚度越薄,驅動器的彎曲能力越強;氣囊內壁有凸起時驅動器的彎曲能力越強。

 。3)搭建性能測試實驗平臺,對制作的外徑分別為 65mm、45mm 和 30mm 的三節軟體機械臂單元進行彎曲變形角度與驅動氣壓的關系和阻擋力與驅動氣壓的關系測試。實驗結果表明,彎曲變形角度與驅動氣壓之間存在線性關系,并且隨著軟體機械臂單元直徑的增大,其彎曲變形能力也相應增大,比如根部單元在 110kPa 氣壓下就能夠彎曲到 90°,而中部單元和端部單元只能彎曲 37°和 22°,該結論也驗證了第三章有限元仿真的正確性;同時阻擋力與驅動氣壓之間存在線性關系,并且隨著軟體機械臂單元直徑的增大,其力的輸出能力也逐漸增大,其中根部單元在 110kPa 氣壓作用下的阻擋力達到 2.9N. (4)根據分段常曲率假設,采用修正的 D-H 表示法對軟體機械臂單元進行平面內彎曲以及繞面內任意直線在空間內彎曲的運動學模型,并使用 Matlab 編程仿真驗證了所推導模型的正確性,在此模型基礎上對軟體機械臂進行運動學建模,并對其任意運動狀態進行仿真驗證。最后利用蒙特卡洛法求解軟體機械臂單元和軟體機械臂的工作空間,其中用實驗數據與軟體機械臂單元中的末端點進行對比,驗證了理論模型的正確性。

  6.2 展望

  本文以氣動軟體機械臂為研究對象,分別對其進行了總體結構設計、制造工藝制定、建模仿真和性能測試等研究,取得了一定進展,但還有一些問題需要深入研究:

 。1)本文只對軟體機械臂單元的彎曲變形能力和阻擋力等性能做了分析研究,而對整體性能的研究不足。在后續的研究中,需對軟體機械臂的整體性能做深入的研究,這樣更有利于軟體機械臂單元的結構優化。

 。2)本文利用有限元分析軟件對影響驅動器彎曲性能的主要結構參數進行仿真分析,得出了影響規律,后續研究需要加入有限元分析軟件和其它軟件的聯合仿真,得到各參數之間的最優組合,進而提升軟體機械臂的性能。

 。3)本文對設計的軟體機械臂進行單節和整體的正運動學建模分析,但對并沒有逆運動學建模。在后續的研究中,應該增加逆運動學的建模,將對后續軟體機械臂的控制打下基礎。

 。4)對于剛性機械臂來說,其機械系統、驅動系統、控制系統和感知系統均已得到充分發展。然而目前針對軟體機械臂的柔性控制與柔性傳感進展緩慢,針對未來智能化的需求,面向軟體機械臂的控制與傳感技術是值得深入研究的領域。

致謝

  時光如白駒過隙,轉眼之間,三年的研究生學習生涯即將結束,同時也要向二十年的學習生涯說再見。在即將踏上人生新征程之際,首先要感謝我的導師李鵬飛老師,在李老師的悉心指導下,讓我從一個科研小白逐漸成長到能夠自主完成自己的科研任務;李老師在我完成課題的過程中提出了許多建設性的指導意見,為我能夠順利完成課題研究打下了堅實的基礎;另外李老師深厚的學術造詣、扎實的理論基礎、豐富的科研經歷、忘我的工作熱情讓我受益終身;臨別之際,再向您道一聲感謝!

  特別感謝劉磊老師,從課題工作到論文,他給予了我耐心的指導,指引著我的研究方向,他嚴謹負責的工作態度,求實創新的學術精神一直激勵著我不斷前進。感謝他在課題研究過程中為我提供的無私幫助和詳細指導。

  感謝劉庚、趙晨、郝波濤、王資燊、申海波師兄們對我研究工作的方向指點;感謝同門肖昕翔、雷博興、宗越三年的相伴和鼓勵;感謝朱明亮、劉鵬浩、丁玉西、席偉將、尚志堅、趙璐、張子玄、許康輝、史宇、雷星馳、李嘉澤、康佳樂等師弟師妹在實驗過程中提供的幫助;感謝室友張振偉、侯宇濤和郄旭亮在生活上的幫助;感謝楊曉靖同學兩年多的陪伴、理解、包容和鼓勵。

  最后特別感恩父母的養育之恩,他們是我堅強的后盾,他們無私的付出讓我在學校的學習和生活沒有后顧之憂,我將在以后的歲月里好好報答他們。

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