發(fā)布時(shí)間：2020-07-13 23:11

【摘要】：軟體機(jī)器人作為融合了材料學(xué)、仿生學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的一種新興機(jī)器人,其自身的柔順性及擁有理論上無(wú)限多自由度的特點(diǎn),在醫(yī)療康復(fù)、救援勘探等方面具有很大的應(yīng)用前景,吸引了眾多研究人員的目光。而利用氣壓、形狀記憶合金(SMA)、介電彈性體驅(qū)動(dòng)器(DEA)等驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)的軟體機(jī)器人,大多面臨著集成度低、輸出力有限、成本高、環(huán)境適應(yīng)性差等問(wèn)題。聚合物螺旋卷繞型人工肌肉于2014年提出,具有能量密度高、遲滯小、成本低等優(yōu)勢(shì),是柔性驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的新貴。利用其作為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行仿生六足軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì),便于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的輕量化集成,并可具備大負(fù)載運(yùn)動(dòng)及多種環(huán)境適應(yīng)能力,能夠進(jìn)一步豐富軟體機(jī)器人領(lǐng)域的內(nèi)涵,拓寬聚合物螺旋卷繞型人工肌肉的應(yīng)用領(lǐng)域。本文通過(guò)闡述六足昆蟲的運(yùn)動(dòng)方式,分析了六足軟體機(jī)器人借鑒仿生三角步態(tài)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的可行性;進(jìn)行仿生六足軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,借助有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行機(jī)器人核心部件軟體“足”的設(shè)計(jì)優(yōu)化。鑒于制作軟體“足”的硅膠材料屬于超彈性體材料,采用三階Yeoh模型仿真分析難以得到收斂解,提出了根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化仿真分析參數(shù)只進(jìn)行固定載荷分析的方法,成功解決仿真分析收斂的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了軟體“足”的優(yōu)化;并據(jù)此對(duì)聚合物螺旋卷繞型人工肌肉的驅(qū)動(dòng)性能提出了要求;建立軟體“足”受人工肌肉驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生彎曲變形的理論模型,基于軟體“足”變形曲率一致的假設(shè),得到人工肌肉收縮量與軟體“足”彎曲角度的關(guān)系;規(guī)劃了機(jī)器人直線行走及轉(zhuǎn)向行走的步態(tài),并給出了相應(yīng)的18路人工肌肉驅(qū)動(dòng)時(shí)序。簡(jiǎn)要闡述了聚合物螺旋卷繞型人工肌肉的致動(dòng)機(jī)理,研究了聚合物螺旋卷繞型人工肌肉加工工藝對(duì)其性能的影響。針對(duì)單一纖維卷繞型人工肌肉,研究了加工負(fù)載、退火負(fù)載、退火次數(shù)對(duì)其驅(qū)動(dòng)性能的影響;針對(duì)電熱絲附著型人工肌肉,研究了電熱絲種類、電熱絲直徑、電熱絲與聚合物纖維配比對(duì)其驅(qū)動(dòng)性能的影響;測(cè)試了經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)之后得到的單一纖維卷繞型人工肌肉與電熱絲附著型人工肌肉的驅(qū)動(dòng)性能,定量描述了人工肌肉的驅(qū)動(dòng)特性,并最終得到了滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)需求的人工肌肉。從單根聚合物螺旋卷繞型人工肌肉的驅(qū)動(dòng)與溫度閉環(huán)控制策略出發(fā),進(jìn)一步拓展到支持18路人工肌肉控制的仿生六足軟體機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)策略,設(shè)計(jì)硬件控制電路圖并制作集成電路板,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件的小型化;利用3D打印技術(shù)及硅膠澆注技術(shù),完成了機(jī)器人樣機(jī)的零部件制作與整機(jī)裝配;搭建了機(jī)器人樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測(cè)試了機(jī)器人地面直線行走、轉(zhuǎn)向行走能力,帶負(fù)載運(yùn)動(dòng)能力以及機(jī)器人水中運(yùn)動(dòng)的能力。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2754116