充气式螺旋纯扭转软体机器人模块的研究

摘要

软体机器人采用柔性材料制作，形态结构简单，高功率重量比，能够通过主被动变形适应复杂的环境，抵御较强冲击，操作对象友好，在一定程度上弥补了刚性机器人的不足，在医疗、工业机械手、康复、仿生、探测等领域具有广阔的应用前景，逐渐成为机器人研究的热门方向。目前软体机器人研究仍处于起步阶段，在材料选择、结构设计与制造、运动学和动力学建模、驱动控制等方面仍有诸多难题亟待解决，开展相关研究具有重要意义。当前，软体弯曲致动器得到了广泛的研究和关注，而作为机器人复杂运动重要组成扭转运动研究甚少。在受限的空间内，扭转机器人能够通过扭转运动快速灵活的实现特定位姿，增加操作的灵活性。本文提出一种新型充气式螺旋纯扭转模块，并针对其模块的设计、制备、运动学建模、驱动控制以及样机实验展开了研究。
　　首先，基于模块化思想和螺旋式纯扭转驱动原理，设计了一种螺旋式软体致动器模块，易于控制，能够提供大角度的纯扭转运动；利用应变能量密度函数描述超弹性材料的应力应变关系，并基于Abaqus有限元分析技术，分析了软体模块的几何参数对扭转性能的影响规律，在此基础上完成了软体扭转模块的制备。
　　其次，针对柔性材料的非线性导致软体扭转模块运动学建模困难的问题，基于虚功原理和弹性应变能相结合的方法，并利用类似Rivlin方法，通过柱坐标系变换，计算出弹性应变能，建立了驱动气压和扭转角度之间的运动学映射关系；并结合数值仿真与实验进行修正，得到了较高精度的软体纯扭转模块运动学模型。
　　再次，采用模块化设计思想设计了可调速的步进电机充/放气驱动机构，搭建软体模块控制系统；基于气压反馈，采用PID控制方法，实现了气压、充气速度和流量的连续调节。基于VoxCAD软件和QT+VS开发了人机交互和驱动控制系统，可用于软体机器人的运动控制和轨迹规划。通过Ethernet通信和CAN级联方式实现了多路驱动控制的易扩展性。
　　最后，搭建了多路软体机器人驱动控制平台，进行软体扭转模块的样机实验研究。设计并搭建了软体扭转模块测量平台，测量了软体扭转模块扭角、扭矩、滞回特性以及弯曲刚度等静态特性；建立了扭转模块和仿人手轨迹规划实验系统，实现了软体模块的轨迹规划与控制，验证了轨迹规划与运动控制方法的有效性；最后，通过扭转、弯曲以及伸缩多种软体变形模块的组装，搭建了具有不同变形功能的软体机器人实验系统，完成了异型孔装配、胃部模拟移物、仿人手扭转抓取实验，验证了模块的大角度、纯扭转变形能力，以及控制系统与轨迹规划控制方法的有效性。

目录

第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2软体机器人发展概述

1.3 FEA致动器综述

1.4软体扭转机器人研究现状及分析

1.5 FEA软体扭转机器人关键技术

1.6论文主要研究内容

第2章 螺旋式软体扭转致动器模块研制

2.1引言

2.2软体扭转模块设计

2.3基于有限元仿真的结构参数优化设计

2.4软体扭转模块制备

2.5本章小结

第3章 扭转模块运动学建模

3.1引言

3.2基于虚功原理和弹性应变能的运动学建模

3.3运动学数值仿真和实验修正

3.4本章小结

第4章 软体机器人控制系统设计

4.1引言

4.2控制系统方案

4.3控制系统结构

4.4基于PID算法的气压反馈控制

4.5本章小结

第5章 软体扭转机器人样机实验研究

5.1引言

5.2软体扭转模块性能实验

5.3扭转软体模块轨迹规划实验

5.4软体扭转模块操作实验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢