环纵肌复合的气动仿蠕虫软体机器人技术研究

摘要

软体机器人作为机器人领域内新一代机器人，由软体材料制成，具有高柔性，多自由度，适应复杂环境和狭窄的空问，因此在资源探测侦察、医用检测、救灾救援等领域具有广泛的应用前景。 现有的软体机器人普遍存在着运动形式单一，运动时会发生“后溜”现象，运动速度低，控制困难等问题。针对上述问题，本文提出了一种新型的环纵肌复合的气动仿蠕虫软体机器人，该机器人利用压缩气体驱动，具有结构紧凑、运动模式多样化、环境适应能力高等优点，不仅可以实现直线爬行、转弯等运动方式，在碰到障碍物时，还能够跨越障碍。 首先，论文对蠕虫的运动模式及蚯蚓的生理结构和运动进行了分析，提出了包括环肌结构和纵肌结构在内的机器人两节一体式环纵肌复合的总体结构方案，分析了仿蠕虫软体机器人的运动步态。 其次，对仿蠕虫软体机器人体节模型进行了简化，利用有限元分析软件对体节纵肌、环肌结构参数进行了仿真分析，确定了机器人纵肌和环肌的基本尺寸，确定了金属环限位结构的稠密度。 再次，研究制作了浇注模具，完成了仿蠕虫软体机器人样机的制作。对仿蠕虫软体机器人体节轴向伸长变形、弯曲变形进行了试验研究，结果表明，驱动气压越大，体节变形越大，与仿真结果基本吻合。试验研究了滑片伸出量和环肌气腔驱动气压间的关系，并根据实际需求，确定了环肌充气气压为40kPa。对体节伸长变形进行了响应时问的测定，实验结果表明，体节充气变形响应时问比放气变形响应时间长，且在相同驱动气压下，在不同爬行面上的响应时间略有差异。 最后，根据仿蠕虫软体机器人样机运动需求，研究设计了系统的气动控制回路及电气控制回路，编写了PLC控制程序。对样机进行了直线运动、转弯运动、爬坡运动、越障运动试验，试验表明，该仿蠕虫软体机器人样机在运动时，不会产生“后溜”现象，在150kPa驱动气压下，直线运动的最大速度达到了18mm/s;在体节纵肌左右气腔分别充气120kPa和40kPa时，能够在一个周期内转过37.8°的角度;最大爬坡角度为17.8°，最高能够越过高约6mm的障碍物。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题的研究意义及背景

1．2软体机器人研究现状

1．2．1智能材料驱动

1．2．2化学反应驱动

1．2．3气体驱动

1．3存在的问题

1．4课题主要研究内容

2仿蠕虫软体机器人总体结构研究

2．1仿蠕虫软体机器人结构研究

2．1．1蠕虫运动模式分析

2．1．2蚯蚓生理结构及其运动研究

2．1．3机器人纵肌结构设计

2．1．4机器人纵肌径向限位结构设计

2．1．5机器人环肌结构设计

2．1．6机器人总体结构

2．2仿蠕虫软体机器人运动步态分析

2．2．1直线运动步态

2．1．2转弯运动步态

2．3本章小结

3仿蠕虫软体机器人变形特性研究

3．1．1材料选择

3．1．2材料力学特性

3．1．3材料超弹性模型

3．1．4材料Yeoh模型系数

3．2机器人体节肌肉变形特性分析

3．2．1仿真模型建立

3．2．2材料的确定

3．2．3纵肌参数确定

3．2．4环肌底片厚度确定

3．4本章小结

4仿蠕虫软体机器人样机制作

4．1仿蠕虫软体机器入样机模具设计

4．1．1纵肌结构浇注模具设计

4．1．2环肌结构浇注模具设计

4．2硅胶浇注过程及样机组装

4．3本章小结

5仿蠕虫软体机器人试验研究

5．1仿蠕虫软体机器人体节变形试验研究

5．1．1体节轴向伸长交形试验研究

5．1．2体节弯曲变形试验研究

5．1．3环肌底片变形试验研究

5．1．4体节轴向伸长响应时间试验研宄

5．1．5静态摩擦力对比试验研究

5．2仿蠕虫软体机器人运动试验研究

5．2．1试验系统设计

5．2．2直线运动试验研究

5．2．3转弯运动试验研究

5．2．4爬坡运动试验研宄

5．2．5越障运动试验研究

5．3本章小结

6总结和展望

6．1总结

6．2展望

致谢

参考文献

附录