SMA人工肌肉软体机器人的变形控制与运动机理研究

摘要

由于软体机器人具有更接近生物的柔软特性，具备机动灵活的运动能力和良好的适应性，因此软体机器人吸引了众多研究人员的关注。软体机器人作为一个横跨工程学、材料学、数学等多学科交叉领域，其在促进科学技术发展上具有巨大潜力。本论文围绕形状记忆合金(SMA)人工肌肉软体机器人的变形控制与运动机理，开展了SMA人工肌肉的仿生设计和制备工艺研究、SMA人工肌肉的建模分析与变形控制研究、SMA人工肌肉驱动的软体机器人的多模步态分析研究、SMA人工肌肉驱动的软体机器人的路径规划研究。本文的主要研究内容和成果如下:
　　1)通过对肌肉的仿生学研究，设计SMA人工肌肉驱动器，为软体机器人的快速设计提供基础。选取具有高能量密度、低噪声、结构紧凑等优势的SMA丝作为驱动器的骨架，结合3D打印技术和智能材料技术，通过浇铸工艺设计并制作了两种SMA人工肌肉驱动器:单侧式SMA人工肌肉驱动器和双侧式SMA人工肌肉驱动器。M-型配置的SMA丝骨架使得单侧式SMA人工肌肉驱动器在紧凑性、输出应变和外接导线时具有较好的优势。单侧式SMA人工肌肉驱动器仅能够在单侧运动，且其初始状态是弯曲态。通过响应频率和弯曲幅度实验，对单侧式SMA人工肌肉驱动器进行优化设计。测试了单侧式SMA人工肌肉驱动器的末端驱动力，并且通过多物理场仿真软件COMSOL对单侧式SMA人工肌肉驱动器进行了热力学分析。双侧式SMA人工肌肉驱动器由两个具有四路SMA通道的粘贴式驱动器模块对称地粘贴在弹性基板结构（弹簧钢板）两侧构成。双侧式SMA人工肌肉驱动器的初始状态是水平态，能够在弹性基板两侧运动。通过多通道SMA丝的并联，双侧式SMA人工肌肉驱动器可以输出不同的弯曲幅度。此外，也测试了双侧式SMA人工肌肉驱动器的末端驱动力，并且通过多物理场仿真软件COMSOL对双侧式SMA人工肌肉驱动器进行了热力学分析。
　　2)对SMA人工肌肉驱动器进行理论建模以及优化分析。通过差示扫描量热法(DSC)和动态热机械分析(DMA)实验分别进行了SMA的基本特性测试:相变温度测试和力学性能测试。基于SMA的本构方程、相变动力学方程、热力学方程和驱动器的运动学方程分别建立了单侧式SMA人工肌肉驱动器和双侧式SMA人工肌肉驱动器的状态方程。基于状态方程，采用Matlab/Simulink对SMA人工肌肉驱动器进行数值仿真，分析了PWM信号、SMA丝距离PVC板的距离和等效刚度对SMA人工肌肉驱动器运动性能的影响。这不仅为SMA人工肌肉驱动器的优化设计提供了指导方向，还对SMA人工肌肉驱动器的控制参数调节具有重要作用。基于状态方程，还测试了SMA人工肌肉驱动器的阶跃响应。此外，将SMA人工肌肉驱动器与直流电机的工作特性进行了对比，为SMA人工肌肉驱动器性能的提升提供一种技术思路。
　　3)基于SMA人工肌肉驱动器，设计软体机器人，并对其运动机理进行建模和优化分析。基于SMA的电阻自反馈策略，描述了SMA人工肌肉驱动器的自感知反馈方法，并测试了SMA人工肌肉驱动器的自感知反馈跟踪效果。基于单侧式SMA人工肌肉驱动器，设计了一系列辐射对称型软体机器人。将SMA驱动器模型与伪刚体模型相结合，建立辐射对称型软体机器人的运动模型。通过腕足数量和步态参数的优化实验分析，三足软体机器人在周期步长上取得了最好的效果（最大步长为75mm），并且获取了相应的步态参数。基于三足软体机器人，进行了多模步态规划实验，包括多介质（半潜水环境、干沙、湿沙、过渡环境等）步态、残缺步态和跳跃步态。三足软体机器人能够在多种介质环境中运动，并且展现出不同的运动能力。三足软体机器人在四类典型的残缺步态（在前的两腕足中有一只丧失功能，在后的腕足丧失功能，在前的两腕足丧失功能，在前的两腕足中有一只腕足以及在后的腕足丧失功能）下具有不同的运动特征，这为软体机器人的在线辨识残缺状态提供了参考价值。通过给SMA人工肌肉驱动器施加瞬时大电压，三足软体机器人能够实现跳跃步态（跳跃高度达67mm，约1.5倍于三足仿海星软体机器人的自身高度）。将3D打印技术和双侧式SMA人工肌肉驱动器相结合，设计了一款两侧对称的软体机器鱼。通过双侧式SMA人工肌肉驱动器的往复运动，软体机器鱼能够实现直线巡游等基本运动。通过实验分析了通道数量、驱动电压和双侧式SMA人工肌肉驱动器的摆动频率对软体机器鱼游动性能的影响。这为进一步提升软体机器鱼的运动性能提供了改进方向。
　　4)提出了基于障碍物集合的局部路径规划策略。基于激光雷达传感器的信息处理，建立了两种障碍物模型:用来确定环境的可通过性的真实障碍物模型和用来更新机器人的航向角的安全障碍物模型。通过合并策略，进一步得到相应的真实障碍物组和安全障碍物组。通过将最近邻谷区策略与motion-context相结合选取最适间隔，并通过获胜间隔的安全间隔模型更新航向角信息。基于路径长度和路径的弯曲能量这两个准则，在多种环境场景下对比分析了基于障碍物集合的局部路径规划策略和VFH。仿真结果表明，基于障碍物集合的局部路径规划策略能够避免局部最小，且生成更为光滑的轨迹。提出了基于功率谱密度的动态障碍物的分类策略。通过分析三种典型动态障碍物（行人、失控的推车和人推推车）的速度曲线的功率谱，借助所定义的两个功率谱属性——具有最大能量的非零频率和非零频能量占功率谱总能量的比值，三种典型动态障碍物具有可辨识性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 软体机器人的研究现状

1．2．1 概述

1．2．2 驱动器

1．2．3 建模与控制

1．2．4 系统和应用

1．3 软体机器人研究启示

1．4 论文研究内容与组织结构

1．4．1 论文研究内容

1．4．1 论文组织结构

第二章 SMA人工肌肉仿生设计与制备工艺

2．1 引言

2．2 SMA的基本特性及测试

2．2．1 形状记忆效应和超弹性效应

2．2．2 相变温度测试

2．2．3 力学性能测试

2．3 SMA人工肌肉的仿生设计

2．3．1 仿生学启发

2．3．2 单侧式SMA人工肌肉驱动器

2．3．3 双侧式SMA人工肌肉驱动器

2．3．4 SMA人工肌肉的驱动电路原理

2．4 本章小结

第三章 SMA人工肌肉模块的建模分析与变形控制

3．1 引言

3．2 SMA驱动器系统的建模

3．2．1 SMA本构方程

3．2．2 SMA相变动力学方程

3．2．3 热力学方程

3．2．4 负载方程

3．2．5 状态空间描述

3．3 SMA人工肌肉驱动器的分析与控制

3．3．1 单侧式SMA人工肌肉驱动器

3．3．2 双侧式SMA人工肌肉驱动器

3．4 SMA人工肌肉与直流电机的对比分析

3．5 本章小结

第四章 SMA人工肌肉驱动的软体机器人的多模步态分析

4．1 引言

4．2 SMA人工肌肉驱动器的自反馈控制策略

4．3 基于单侧式SMA人工肌肉的软体机器人

4．3．1 结构设计

4．3．2 运动建模

4．3．3 优化分析

4．3．4 多模步态规划

4．4 基于双侧式SMA人工肌肉的软体机器人

4．5 本章小结

第五章 SMA人工肌肉驱动的软体机器人的路径规划

5．1 引言

5．2 基于障碍物集合的局部路径规划

5．2．1 障碍物集合的特征提取

5．2．2 局部路径规划算法

5．2．3 局部路径规划器的仿真分析

5．3 基于功率谱密度的动态障碍物的分类

5．3．1 动态障碍物的检测与跟踪

5．3．2 动态障碍物的分类

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢