并联波纹管结构气动柔性执行器研究

摘要

气动柔性执行器利用清洁气源可在空间中完成指定动作，运动灵活、环境适应性强，发展前景广阔。本文研究的气动柔性执行器由三个并联的波纹管、中间环及上下连接板组成，整体执行器均由3D打印制造。通入一定压力的气体后，并联波纹管结构的气动柔性执行器会产生相应变形。本文对波纹管及执行器的有限元仿真方法、静力学模型及优化设计等内容进行研究，并对理论分析结果进行实验验证。
　　通过单轴拉伸实验对3D打印柔性材料试件进行力学特性的测量，得到不同打印条件下材料的应力应变曲线、弹性模量及泊松比。通过对比不同设置条件下3D打印柔性材料的仿真结果，得到最佳的有限元仿真方法。
　　利用最小二乘法对波纹管基本单元进行刚度辨识。为了便于计算，将刚度矩阵线性化处理。利用辨识的柔度矩阵计算不同外力下波纹管基本单元的变形量，并与有限元仿真结果进行对比。利用辨识方法计算不同气压力下波纹管基本单元的刚度矩阵。对执行器单层结构进行静力学建模，得到不同外力下执行器的变形量，并与仿真结果进行对比，修正刚度矩阵。利用静力学模型计算得到执行器的载荷特性。
　　提出执行器结构的优化方法。以波纹管刚度矩阵中的特征刚度和执行器的工作空间体积、最大半径及最大高度为优化目标，对波纹管基本单元小径及单节长度进行优化，得到最大优化目标时的结构参数。
　　对整体执行器进行打印和组装。通过波纹管和执行器的受力变形实验，分别验证了波纹管的有限元分析方法和执行器的静力学建模计算方法。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 气动柔性执行器的国内外发展现状

1.3 3D打印柔性材料的发展现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 3D打印柔性材料特性及有限元分析方法

2.1 引言

2.2 3D打印柔性材料特性

2.3 柔性材料的有限元仿真方法

2.4 波纹管的有限元仿真

2.5 本章小结

第3章 波纹管刚度辨识及执行器静力学分析

3.1 引言

3.2 波纹管的基本单元特性

3.3 执行器的静力学模型

3.5 本章小结

第4章 执行器的结构优化方法

4.1 引言

4.2 执行器最优化模型

4.3 基于Isight的执行器结构优化

4.4 本章小结

第5章 仿真方法的实验验证

5.1 引言

5.2 执行器的制造

5.3 有限元仿真方法的实验验证

5.4 执行器静力学建模的实验验证

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

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致谢