如何提高软体机器人的刚柔可控性

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上传日期: 2020-09-09

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标签:机器人(15563)控制器(6986)驱动器(3783)

  软体机器人具有超强的环境适应性、敏感性和灵活性,可吸收碰撞所产生的能量,与人或环境友好交互,并能模拟生物系统连续运动,在军事侦察、灾难救援等复杂环境的探索与检测方面具有重要的应用价值。当前的研究重点多集中于提高柔顺性能,但较少考虑其实时的刚柔可控性,即要求运动时表现出高柔性,执行任务时又能展示出强刚度。本文结合主动驱动的气动网络结构与被动驱动的堵塞机构的优势,设计出实时变刚度的软体驱动器,通过理论和有限元分析该设计的优越性和可靠性,最终通过实验验证了变刚度软体驱动器的变刚度性能与弯曲性能。具体内容为:首先,对变刚度结构和气动驱动结构的动作原理进行研究,并在已有研究工作的基础上,设计了一种气动-堵塞机构耦合的变刚度软体驱动器。变刚度软体驱动器采用模块化的设计思想,由多个单元模块组成,各单元模块由柔性连接件串联。每个单元模块包括了三个部分:堵塞变刚度结构、气动驱动结构和硅胶纤维复合层。其次,利用赫兹接触模型,建立变刚度结构数学模型,从理论上研究其变刚度形成机理,并依据分析,对变刚度结构进行参数优化。同时利用 Abaqus 有限元软件对气动驱动结构进行分析,研究空腔内压强、空腔形状和空腔大小对弯曲角度的影响,并对气动驱动结构设计进行优化。再次,对变刚度软体驱动器的制作中使用的 3D 打印和硅胶浇筑技术进行研究,并对单元模块的三个部分进行制做和组装;同时,设计了气动控制系统和真空控制器,并对气动控制系统和真空控制器的系统组成和原理进行了介绍。最后,搭建刚度测试实验平台,对不同条件下变刚度结构的刚度进行测试,并测试验证本设计变刚度结构的刚度重复精度和稳定性优于现有小颗粒机构。同时,搭建弯曲性能测试实验平台,对气动驱动结构的弯曲性能和拉伸性能进行测试实验,并验证本设计气动驱动机构弯曲和拉伸的性能和稳定性。

  传统刚性机器人在与自然环境交互时,柔顺性不足,对环境的适应能力有限,大大限制了机器人的应用范围,故近年来应用软体材料制作的软体机器人成为了研究热点。与刚性机器人相比,软体机器人具有超强的环境适应性、敏感性和灵活性,可吸收碰撞所产生的能量,与人或环境友好交互,并能模拟生物系统连续运动。软体机器人是一门多学科交叉的研究,涉及仿生学、机器人学、软材料学以及控制等学科。近年来,软体机器人已成为国际研究的热点领域。美国国防部高级研究计划局,哈佛大学,MIT 等研究机构都将软体机器人列入长期研究计划;意大利科技研究所和苏黎世理工学院参与的欧洲研究计划 EU OCTOPUS IP 和 RoboSoft,均是国际上较有特色的研究。由于软体机器人成果的不断出现,塔夫斯大学教授 Barry于 2014 年创立了国际学术期刊 Soft Robotics,专门报导软体机器人的研究成果,该期刊 2018 年影响因子达 5.057;2016 年创刊的 Science 子刊 Science RoboTIcs 每期就有近三分之一论文专门报道软体机器人有关成果。此外,还有 ICRA、IROS 等大量会议和期刊创立软体专题,共同探讨软体机器人的技术难题。尽管软体机器人的柔顺性有诸多优点,但完全低刚度的软体结构也有其缺陷。放眼生物领域可以发现,完全柔软的动物多数体型较小,而大型动物通常有一个刚性骨架支撑自身的重量[2]。没有骨架的大型软体动物一般只能生长在水里(如鱿鱼和水母)或地下(如大蚯蚓),离开支撑他们身体的介质将无法生存。可见,研究具有可变刚度能力且可适应自然环境的软体机器人是该领域的必然趋势。在自然界中,已经存在许多可变刚度软体结构的动物实例:章鱼可选择性的使其手爪变硬,形成“刚性骨架”;乌贼应用触须,大象应用象鼻来传递较大的外力;人类的舌头和嘴唇也是变刚度的应用实例。上述生物现象表明,理想的软体机器人应该具有以下结构特点:在运动过程中能表现出较大的柔性,在执行特定“任务”时又能展示出超强的刚度。因此,研究动物运动机理,设计可变刚度的软体机器人,获得与生物体相媲美的运动能力和执行能力,具有重要学术意义和应用价值,是未来一段时间机器人领域的一个重要研究方向。

  软体机器人存在多种驱动方式,主动驱动方式可变化软体机器人的位置,而半主动驱动方式可变化软体机器人刚度。将二者结合可形成功能强大软体机器人。在主动驱动方式中,流体驱动器的结构简单,易设计且扩展性强。在半主动驱动方式中,基于堵塞原理的变刚度结构反应快速高效,成本低,易于控制且功能多样。不过,到目前为止此类堵塞机构多应用小尺寸颗粒材料,而这种机构由于小颗粒易发生变形和重新排列,可能导致不同运动形态和变刚度失效,也降低了机构重复定位精度,甚至定位错误。同时,精确数学模型较难建立,科研人员目前多试图从实验的角度去分析影响堵塞机构的主要因素,包括:分析颗粒数量、形状、尺寸和弹性薄膜的机械特性对刚度的影响。 基于这些原因,本文提出了一种基于大、小颗粒的堵塞机构,设计并实施了一种基于堵塞机构的驱动器。建立了机构末端的静力学模型,分析其变刚度机理,并对其仿真。最后就影响刚度的参数进行实验。本文以可变刚度软体机器人为研究对象,在深入分析气动网络(Pneu-net)。驱动的主动控制特性及堵塞机构的被动式变刚度特性的基础上,提出一种新型的可变刚度软体驱动器解决方案,将主动的气动网络驱动与被动式堵塞机构驱动机理相融合,开展变刚度软体驱动器动态建模与控制方法研究,该驱动器有望为扩展变刚度软体机器人应用范围提供新的理论和技术支持。

  本文总体架构安排如下:

  第一章,首先分析了变刚度软体机器人的研究背景与意义,重点回顾了几种软体机器人的驱动方式和实验方案,分析了各自的优缺点。随后梳理了变刚度全体机器人研究的关键技术与现存不足,进一步凸显变刚度软体机器人的特点与优势。第二章,在综合分析变刚度结构和气动驱动结构动作原理基础上,设计一种气动-堵塞机构耦合的变刚度软体机器人。变刚度软体驱动器采用模块化的设计思想,由多个单元模块经柔性连接件串联组成。同时,对每个单元模块包含的堵塞变刚度结构、气动驱动结构和硅胶纤维复合层进行详细介绍。第三章,应用赫兹接触模型,建立变刚度结构的数学模型,研究变刚度原理,并对结果进行了仿真分析;再应用有限元软件 Abaqus 建立气动驱动结构和硅胶纤维复合结构的数学模型,并对其运动性能进行研究分析。采用控制变量法分析机构参数对驱动器弯曲性能的影响,优化机构的几何参数。第四章,简要介绍了变刚度机器人样机的制作流程,首先介绍了机构的总体制造技术,制造设备和材料进行介绍,再就堵塞变刚度结构、气动驱动结构和硅胶-纤维复合结构具体介绍详细制造流程。最后,对气动控制系统和真空控制器的系统组成和原理进行了介绍。第五章,介绍了刚度测试实验平台和实验环境,并对机构的刚度性能、刚度控制精度和稳定性进行测试;再对气动驱动器的性能测试实验平台和环境进行介绍,对气动驱动结构的弯曲性能和拉伸性能进行测试实验,测试本设计气动驱动结构的弯曲、拉伸性能。

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