人體實現(xiàn)身體多樣且高效運(yùn)動的精細(xì)復(fù)雜、分級分層的骨骼肌肉系統(tǒng)是以柔性材料為主,系統(tǒng)的驅(qū)動完全是由軟組織(肌肉、肌腱等)產(chǎn)生。人體骨骼肌可以被認(rèn)為是“完美的軟驅(qū)動器”,具有兼容性和可變形性,還能高效地實現(xiàn)快速、強(qiáng)大的動作和非常復(fù)雜的運(yùn)動模式。研究表明,人體骨骼肌既是驅(qū)動單元又是傳動單元,同時兼具無級變速功能,是一種驅(qū)動、變速與傳動一體化的柔性動力系統(tǒng),這與目前工程中普遍采用復(fù)雜機(jī)構(gòu)組合和控制實現(xiàn)自動變速的機(jī)械系統(tǒng)相比,具有簡單、直接、經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)�；谶@樣的靈感,本文以研制出具有類似生物骨骼肌驅(qū)動、傳動一體化性能特性的仿骨骼肌軟體驅(qū)動器為目標(biāo),經(jīng)過對骨骼肌基本結(jié)構(gòu)組成和肌纖維構(gòu)形與空間結(jié)構(gòu),以及可變傳動生物原理的分析,提出仿骨骼肌軟體驅(qū)動器設(shè)計,利用仿真分析預(yù)測軟體驅(qū)動器的動態(tài)響應(yīng)特性,制造樣件并通過性能測試實驗檢驗是否具有自動變速功能,揭示其內(nèi)在可變傳動機(jī)制的影響因素和內(nèi)在規(guī)律,開發(fā)出高度擬人的仿半膜肌驅(qū)動器并與生物肌肉進(jìn)行力學(xué)特性的比較。具體研究工作及主要結(jié)論如下:(1)分析骨骼肌基本結(jié)構(gòu)組成和宏觀肌纖維結(jié)構(gòu),以及肌纖維運(yùn)動帶動肌肉三維形態(tài)變化實現(xiàn)可變傳動的生物原理,提出仿骨骼肌軟體驅(qū)動器的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計。它由模擬“肌纖維”的驅(qū)動單元和模擬“周圍結(jié)締組織”的柔性基質(zhì)組成。將驅(qū)動單元按照骨骼肌羽狀角的結(jié)構(gòu)嵌入并封裝在柔性基質(zhì)內(nèi)部,從而通過驅(qū)動單元帶動柔性基質(zhì)空間變形,簡單而容易地實現(xiàn)仿骨骼肌的協(xié)同運(yùn)動。利用非線性有限元ABAQUS/CAE對軟體驅(qū)動器的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部的驅(qū)動單元均呈軸向縮短徑向膨脹,并伴隨旋轉(zhuǎn)的變化趨勢,與骨骼肌中觀察到的相似。且內(nèi)部壓力越大,變化的趨勢越明顯。軟體驅(qū)動器豎直方向上的變形量隨著氣壓上升而增大,且在0.20MPa時達(dá)到最大變形量17.5mm。說明氣壓的大小對驅(qū)動器的動態(tài)響應(yīng)具有一定的影響。(2)采用澆鑄制作出與仿真模型相同尺寸與結(jié)構(gòu)的仿骨骼肌驅(qū)動器,并制作兩種對比驅(qū)動器。給驅(qū)動器通入不同穩(wěn)定壓力值的壓縮空氣進(jìn)行致動,并施加從低到高、不同質(zhì)量的載荷,進(jìn)行驅(qū)動性能測試。壓力0.4MPa時仿骨骼肌驅(qū)動器能夠提起大約相當(dāng)于自身重量25倍的重物。負(fù)載力一定時,驅(qū)動器的收縮量與壓力成正比,而零負(fù)載時驅(qū)動器收縮量隨氣壓變化的測試結(jié)果與仿真結(jié)果相近。壓力一定時,驅(qū)動器收縮量與負(fù)載力成反比,從而可得驅(qū)動器最大輸出力與壓力是成正比的。整個收縮期間,驅(qū)動器輸出力逐漸增大至額定載荷后保持不變,且在輸出力恒定不變時其收縮速度會出現(xiàn)一段穩(wěn)定不變的階段。對此階段進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),驅(qū)動器具有與生物骨骼肌相類似的可變傳動機(jī)制,即能夠在承受低負(fù)載時以高速度優(yōu)勢運(yùn)行,在承受高負(fù)載時更多的產(chǎn)生輸出力以克服外界負(fù)載收縮致動。(3)通過對測試數(shù)據(jù)處理分析,驗證了軟體驅(qū)動器的傳動比以負(fù)載相關(guān)的方式變化的假設(shè)。傳動比會隨負(fù)載的增大而減小,即驅(qū)動器會在高負(fù)載條件下有利于力的輸出并在低負(fù)載條件下輸出較高的速度。而且當(dāng)壓力越高時,傳動比變化越高,可變傳動的范圍越廣。軟體驅(qū)動器所具有的這種可變傳動機(jī)制是自動,不是來自任何控制機(jī)構(gòu),不需要感覺信息和反饋控制。通過軟體驅(qū)動器與兩種對比樣件的對比,發(fā)現(xiàn)羽狀角和柔性基質(zhì)的協(xié)同驅(qū)動對于驅(qū)動器是重要的,因為柔性基質(zhì)和羽狀角會極大地增加其可變傳動的能力和范圍。針對這三種驅(qū)動器的實驗數(shù)據(jù),得到了它們的傳動比與系統(tǒng)負(fù)載和壓力之間函數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗公式:AGR(28)-aP~b F(10)cP~d。該方程較好地表達(dá)了驅(qū)動器的動力特性并對其設(shè)計和操作起到了指導(dǎo)作用。(4)基于骨骼肌生物力學(xué)模型以及人體半膜肌的結(jié)構(gòu)特征,提出一種高度擬人的仿半膜肌驅(qū)動器設(shè)計。其主要特征是布置雙排的驅(qū)動單元斜行排列并連同通氣管一并封裝于柔性基質(zhì)中,柔性基質(zhì)的形狀與人體半膜肌相類似,來高度模仿半膜肌形態(tài)及肌纖維排布。通過開展等張收縮和等長收縮兩種形式的力學(xué)測試實驗,并基于骨骼肌生物力學(xué)方程,進(jìn)一步的量化其力學(xué)特性。發(fā)現(xiàn)與貓、青蛙、鼠和人類骨骼肌相比,仿半膜肌驅(qū)動器具有類似生物肌肉的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,即力-速度、力-長度曲線關(guān)系,實現(xiàn)了高度擬人的仿生骨骼肌開發(fā)的目標(biāo)。提出一個仿半膜肌驅(qū)動器的簡單應(yīng)用,選擇1:1比例的成年人平均尺寸的骨骼模型,用驅(qū)動器替換人體半膜肌,實現(xiàn)了人體的屈膝動作。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH703
【部分圖文】：

第 1 章 緒論國 FESTO 公司采用幾十根 McKibben 型人工肌肉研制出仿人上肢，其機(jī)構(gòu)復(fù)雜而精確，具有五個類似人手的機(jī)械手指，有著良好的靈活性，其中拇指具有 3 個獨(dú)立自由度，其它四個手指只有 2 個獨(dú)立自由度，各個手指之間還有 1 個關(guān)聯(lián)自由度，可以完成手指閉合和彎曲運(yùn)動，模仿人的程度非常高[31]（圖 1.1(f)）。英國Shadow 公司將人工肌肉結(jié)合在一起形成柔性關(guān)節(jié)，其具有 2 個自由度，基于這種關(guān)節(jié)研制出 Shadow 靈巧手[32]，它采用人工肌肉驅(qū)動并由肌腱傳遞力和運(yùn)動，關(guān)節(jié)柔性程度高且重量輕（圖 1.1(g)）。

長度的蠕蟲機(jī)器人，可以實現(xiàn) 1mm/s 的爬行速度（圖 1.2(b)）。Pelrine等[45]開發(fā)了一種使用了更強(qiáng)大的軋制 DEA 驅(qū)動的六足步行機(jī)器人 FLEX2（圖1.2(c)）。Pei 等[46, 47]設(shè)計了兩種 DEA 驅(qū)動的步行機(jī)器人，分別命名為 Skitter 和MERbot：前者是一個使用六個單自由度滾動 DEA 作為六條腿的小型腿式機(jī)器人，能夠達(dá)到約 7cm/s 的峰值速度（圖 1.2(d)）；后者是一種新型的六足機(jī)器人，有 6 個 2-DOF 滾動 DEA 作為支腿，最大速度可達(dá) 13.6cm/s，相當(dāng)于其每秒體長的大約三分之二（圖 1.2(e)）。Nguyen 等[48]開發(fā)了一種由多層堆疊 DEA 驅(qū)動的小型仿生四足機(jī)器人，其每條腿包含兩個 DEA，以實現(xiàn)擺動階段和站立階段的運(yùn)動（圖 1.2(f)）。谷國迎[49]綜述了基于不同類型的 DEA

第 1 章 緒論到了 0.22mm/s（圖 1.3(a)）。仿軟體生物的爬行機(jī)器人還有 Du等研發(fā)的 3 種模式運(yùn)動機(jī)器人[53]（圖 1.3(b)），Lin等研制的 GoQBot 機(jī)器人[54]（圖 1.3(c)），Seok 等研發(fā)的 Meshworm 機(jī)器人[55]（圖 1.3(d)），Wei Wang 等研發(fā)的仿尺蠖機(jī)器人[56]（圖 1.3(e)）。Kim等[57]開發(fā)了一種主要由 SMA 構(gòu)成的智能軟復(fù)合材料（SSC）結(jié)構(gòu)，能夠在簡單、輕便的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，基于這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了類海龜運(yùn)動的游泳機(jī)器人，達(dá)到了 22.5mm/s 的游泳速度（圖 1.3(f)）。SMA 還被應(yīng)用于模仿水母可做沉浮運(yùn)動的水下機(jī)器人[58, 59]，攀爬機(jī)器人[60]，仿生飛行器[61,62]，機(jī)器人面部表情驅(qū)動[63, 64]等。SMA 驅(qū)動具有驅(qū)動力大、位移大等優(yōu)點(diǎn)，但存在著溫度控制困難、低驅(qū)動頻率等缺點(diǎn)。
【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：2872189