长臂式仿生软体机器人弯曲建模及实验研究

摘要

软体机器人由新型柔性材料构成，具有良好的柔顺性、适应性以及超冗余或无限自由度等特点，在家政服务、助老助残、医疗康复等方向有着广阔的应用前景。目前，软体机器人的研究仍处于起步阶段，在柔性材料、仿生结构、弯曲建模及失效判定等方面仍面临诸多挑战，因此开展相关理论与实验研究具有重要意义。
　　本文对长臂式软体机器人的主动弯曲、外力矩弯曲以及弯皱变形进行数学建模，数值分析以及实验研究，主要内容如下:
　　(1)基于长臂式仿生软体机器人的结构，建立软体机器人静态模型，仿真分析了气腔气压值对软体机器人静态特性的影响，并进行了橡胶试样拉伸实验和静态模型实验，验证了静态模型的正确性。
　　(2)根据弹簧简化模型和弯曲几何构型，建立弹簧模型伸长量与软体机器人弯曲几何参数（弯曲方向φ，弯曲角度θ,弯曲半径R0）的映射关系。根据静力分析，力矩平衡，弹簧模型和双映射关系，建立气腔气压值与软体机器人弯曲几何参数的直接映射关系，即任意弯曲方向的主动弯曲模型及其数值计算方法。
　　(3)根据主动弯曲模型，建立外力矩作用下的弯曲模型，得出气腔气压值，外力矩值和弹簧伸长量的映射关系。分析软体机器人在外力作用下的失效主因，基于充气梁结构的弯皱模型，定义软体机器人的起皱、失效以及临界状态，建立长臂式仿生软体机器人的弯皱模型。分析尾节结构的特异性，建立尾节弯皱位置的预警模型。
　　(4)搭建长臂式仿生软体机器人的实验平台，分别开展基节、尾节的单腔弯曲实验、多腔耦合弯曲实验和外载荷作用弯皱实验，实际结果与理论模型相一致，验证了本文的弯曲、弯皱模型的有效性和准确性。
　　本文提出了一套简明的数值分析方法，适用于气体驱动软体机器人的弯曲和弯皱建模。本文的研究成果为进一步研究长臂式仿生软体机器人的自适应控制提供理论依据与基础。

目录

声明

摘要

1．1 课题的来源

1．2 课题的研究背景及意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文的主要研究内容

2．1 引言

2．2 长臂式仿生软体机器人结构特性

2．2．1 章鱼腕足的结构和肌肉特性

2．2．2 软体机器人结构分析

2．3 长臂式仿生软体机器人静态模型

2．3．1 平均半径变化分析

2．3．2 橡胶材料的弹性模量

2．3．3 橡胶管静态模型建立与分析

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 软体机器人模型简化

3．2．1 软体机器人弹簧简化建模

3．2．2 软体机器人气压与弯曲变形几何的映射关系

3．2．3 基节弯曲几何状态分析

3．3 软体机器人弯曲静力分析

3．3．1 基节弯曲静力分析

3．3．2 尾节弯曲静力分析

3．4 长臂式仿生软体机器人侧向弯曲仿真分析

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 长臂式仿生软体机器人外载荷作用下弯曲变形

4．2．1 基节外力矩弯曲建模

4．2．2 尾节外力矩弯曲建模

4．3 长臂式仿生软体机器人弯皱变形

4．3．1 基节的弯皱变形建模

4．3．2 尾节的弯皱模型建模

4．4 长臂式仿生软体机器人抗弯刚度

4．4．1 基节的抗弯刚度

4．4．2 尾节的抗弯刚度

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 实验平台

5．2．1 实验原理

5．2．2 实验系统

5．3 长臂式仿生软体机器人静态模型实验验证

5．3．1 伸长实验平台

5．3．2 实验结果分析

5．4 气压静态控制弯曲实验

5．4．1 单腔弯曲实验

5．4．2 多腔耦合弯曲实验

5．4．2 外载荷作用弯皱实验

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果