【摘要】：軟機器人通常由柔軟的材料制作而成,可以在大范圍內(nèi)任意改變其形狀和尺寸,在偵察、探測、救援及醫(yī)療等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的剛性機器人相比,軟體機器人有許多優(yōu)點:它具有更好的環(huán)境適應(yīng)性,可以通過變形與障礙物相容;可以通過主動變形使機器人處于不同的形態(tài)并實現(xiàn)運動;主動變形與被動變形相結(jié)合,機器人可以穿過比自身形態(tài)尺寸小的縫隙,進入傳統(tǒng)機器人無法進入的空間;能夠模仿自然界中動物的運動模式,適應(yīng)人類不能到達的環(huán)境,擴大人類的探索領(lǐng)域,是未來機器人發(fā)展的新方向。隨著科技的不斷進步,智能材料的不斷發(fā)展,采用與動物肌肉性能相似、具有傳感功能的智能材料制成機器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡易、環(huán)境適應(yīng)性好、低噪聲以及能夠主動產(chǎn)生復(fù)雜運動等優(yōu)點,因此逐步成為軟體機器人未來的發(fā)展趨勢。為了將形狀記憶合金(shape memory alloy,SMA)應(yīng)用到軟體機器人結(jié)構(gòu)中,對SMA的力學(xué)特性進行了分析,給出了SMA彈簧的制作與設(shè)計方法,為了得到SMA彈簧的加熱電流、載荷、輸出位移以及恢復(fù)速度的關(guān)系,搭建實驗平臺進行實驗研究,實驗結(jié)果表明,所設(shè)計的SMA彈簧的有效位移隨著載荷的增加而增加,在負載超過0.32 N時有效位移隨著載荷的增大而減小;增大加熱電流,能夠大幅度的提高SMA彈簧的恢復(fù)速度;SMA彈簧的恢復(fù)速度與加熱電流成正比與負載載荷成反比;SMA彈簧的響應(yīng)速度受冷卻速度的影響,冷卻過程中的速度與加熱電流的大小無關(guān),與負載的成正比;測試了SMA彈簧的力學(xué)性能,為機器人的研制奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)尺蠖運動規(guī)律設(shè)計了一種新型軟體機器人,模仿尺蠖軀干設(shè)計能實現(xiàn)彎曲變形的軀干結(jié)構(gòu),采用SMA彈簧模擬尺蠖肌肉對軀干結(jié)構(gòu)進行驅(qū)動。軟體機器人是通過對SMA彈簧進行周期性通斷電流,利用前足和后足剛毛的摩擦差模仿尺蠖運動規(guī)律實現(xiàn)連續(xù)運動。制作了軟體機器人樣機,并采用實驗方法確定軟體機器人控制參數(shù)。搭建實驗測試系統(tǒng),機器人分別放置在橡膠墊、木板、紙板上進行運動實驗,實驗結(jié)果表明,電流頻率與占空比對軟體機器人爬行速度有較大影響,三種表面上的最快爬行速度均發(fā)生在頻率0.14 0.16 Hz、占空比25% 30%范圍之內(nèi),機器人最大爬行速度可達到3.43 mm/s;所設(shè)計軟體機器人適合于較軟和粗糙的表面上爬行,但不適宜于在較硬且較光滑的表面爬行。所設(shè)計軟體機器人能仿生尺蠖運動進行運動,說明了所設(shè)計的軟體機器人的可行性,為軟體機器人設(shè)計提供新的思路。為了提高仿尺蠖軟體機器人的爬行速度,對多其進行結(jié)構(gòu)改進,設(shè)計了一種快速爬行的仿尺蠖軟體機器人。通過增加驅(qū)動電流,提高彎曲階段的速度,通過增加軀干的剛度,提高伸直階段的速度,將兩者相結(jié)合以提高軟體機器人的響應(yīng)速度。為了驗證設(shè)計思路的有效性,設(shè)計剛度更大的軀干結(jié)構(gòu)代替柔軟的硅膠表皮,使其在彎曲變形過程中能夠獲得更大的回彈力,通過對機器人變形過程中的受力分析,結(jié)合電熱模型、SMA彈簧模型得到機器人加熱時間與單周期位移的模型;制作機器人樣機以進行實驗驗證,結(jié)果表明單周期位移模型的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致;通過實驗測試系統(tǒng)對機器人的爬行性能進行實驗研究,實驗結(jié)果表明改進后機器人在頻率為0.17-0.18Hz、占空比為27.5-32%的區(qū)域內(nèi)可獲得最快爬行速度,為4.1 mm/s,較第二章設(shè)計的機器人爬行速度提高了20%,驗證了思路的正確性。根據(jù)蝠鲼魚的運動規(guī)律設(shè)計一種新型軟體機器魚,該機器魚由能模仿蝠鲼魚外形實現(xiàn)上下擺動運動的柔性魚鰭結(jié)構(gòu)、基板與尾鰭組成,采用SMA絲模擬蝠鲼魚肌肉對柔性魚鰭結(jié)構(gòu)進行驅(qū)動。柔性胸鰭結(jié)構(gòu)通過對布置在上、下側(cè)的SMA絲進行周期性通斷電壓可以實現(xiàn)模仿蝠鲼魚魚鰭的上下擺動,使其產(chǎn)生驅(qū)動力實現(xiàn)游動運動。為了驗證所設(shè)計軟體機器魚,制作機器魚樣機,通過實驗方法確定了驅(qū)動電壓,對SMA絲的熱力學(xué)分析確定了軟體機器魚的驅(qū)動策略。搭建實驗平臺并進行游動實驗,實驗結(jié)果表明所設(shè)計柔性魚鰭結(jié)構(gòu)的最大擺動角度為42°,機器魚的最快游動速度發(fā)生在驅(qū)動電壓頻率為2.6Hz、占空比為21%時,最快游速為23.4 mm/s,所設(shè)計魚能夠模仿蝠鲼魚游動,為機器魚的研究提供了良好的實驗基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

體機器人實現(xiàn)特殊功能并達到預(yù)期的工作效果，選擇機器人研究的重點之一。軟體機器人材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的特更高的要求，如更大的驅(qū)動力、更多的自由度、更高的控制精度等。接下來將對當(dāng)前已有的幾種典型驅(qū)動介紹。壓驅(qū)動學(xué)家對軟體機器人開始探索以來，液壓或氣壓驅(qū)動就器人驅(qū)動中。這種驅(qū)動方式是通過模仿自然界中一些材料制成的機器人基體中內(nèi)置不同形狀的流體通道，特殊位置添加具有限制作用的限制層材料[21]，如圖時，通過控制各通道內(nèi)流體體積的變化借助壓強變化縮膨脹和彎曲等變形，實現(xiàn)軟體機器人的游動和爬行進行交互。

第一章 緒論下方由雙層底座及前、后摩擦片組成。氣囊充氣膨脹，驅(qū)使軟體機器人產(chǎn)生彎曲，通過設(shè)置不同的前、后摩擦片，利用前后摩擦力大小不同，通過給機器人充氣、放氣使機器人能夠爬行。氣動機器人具有變形大、速度快、運動靈活等優(yōu)點，但是往往也需要笨重的氣源不便于一體化設(shè)計。

第一章 緒論下方由雙層底座及前、后摩擦片組成。氣囊充氣膨脹，驅(qū)使軟體機器人產(chǎn)生彎曲，通過設(shè)置不同的前、后摩擦片，利用前后摩擦力大小不同，通過給機器人充氣、放氣使機器人能夠爬行。氣動機器人具有變形大、速度快、運動靈活等優(yōu)點，但是往往也需要笨重的氣源不便于一體化設(shè)計。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王國彪;陳殿生;陳科位;張自強;;仿生機器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];機械工程學(xué)報;2015年13期

2 費燕瓊;呂海洋;沈星堯;;模塊化軟體機器人運動模式[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;2013年12期

3 譚民;王碩;;機器人技術(shù)研究進展[J];自動化學(xué)報;2013年07期

4 高飛;王玉魁;王振龍;王揚威;李健;;形狀記憶合金絲驅(qū)動的仿生墨魚水下機器人的原型設(shè)計[J];機器人;2013年03期

5 曹玉君;尚建忠;梁科山;范大鵬;馬東璽;唐力;;軟體機器人研究現(xiàn)狀綜述[J];機械工程學(xué)報;2012年03期

6 楊凱;辜承林;;基于SMA彈簧緊湊型柔性電機的設(shè)計與研制[J];電工技術(shù)學(xué)報;2010年04期

7 王揚威;王振龍;李健;杭觀榮;;形狀記憶合金驅(qū)動仿生蝠鲼機器魚的設(shè)計[J];機器人;2010年02期

8 楊秀清;駱敏舟;梅濤;;核環(huán)境下的機器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];機器人技術(shù)與應(yīng)用;2008年01期

9 徐玉如;龐永杰;甘永;孫玉山;;智能水下機器人技術(shù)展望[J];智能系統(tǒng)學(xué)報;2006年01期

10 王海彬 ,黃永生 ,姚丹霖;國外地面軍用機器人系統(tǒng)綜述[J];汽車運用;2005年11期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 杜勇;具有多運動模式的可變形軟體機器人研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 于凱;形狀記憶合金絲驅(qū)動的仿生鯽魚設(shè)計與研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

本文編號：2800776