發(fā)布時(shí)間：2020-08-31 12:57

　　 隨著機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展,軟體機(jī)器人憑借其優(yōu)越的安全性與靈活性逐漸進(jìn)入現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)與人類生活中,作為機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要分支與傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的補(bǔ)充,軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中融入了許多仿生學(xué)思想,自然界的海星、水母、章魚、象鼻、蠕蟲、植物的卷須等都是其模仿的對象,其主要結(jié)構(gòu)由軟體材料構(gòu)成,目前軟體機(jī)器人的研究也大多集中在材料驅(qū)動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,軟體機(jī)器人的力學(xué)建模仍然需要借鑒傳統(tǒng)力學(xué)方法,尚未形成完整的軟體機(jī)器人力學(xué)建模體系,軟體機(jī)器人的材料非線性和結(jié)構(gòu)非線性更是加大了建模的難度。以力學(xué)建模為核心展開軟體機(jī)器人的研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程指導(dǎo)意義�；诖�,本文研究建立軟體仿生機(jī)械臂的力學(xué)解析模型和有限元數(shù)值仿真分析模型,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文基于Cosserat梁理論建立了軟體仿生機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)和靜力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了軟體臂變形曲率、撓率及應(yīng)變的封閉解析求解。綜合考慮線纜摩擦力、彈性內(nèi)力及水動力等影響因素,基于旋量理論和幾何Jacobian方法建立了軟體仿生機(jī)械臂的分段離散型動力學(xué)模型,運(yùn)用Newton-Euler迭代算法在MATLAB中實(shí)現(xiàn)了軟體臂動力學(xué)方程的遞歸求解�；赗ecurDyn多體動力學(xué)仿真軟件,本文構(gòu)建了軟體仿生機(jī)械臂的有限元模型仿真分析流程,建立了線驅(qū)動軟體仿生機(jī)械臂的有限元仿真模型,實(shí)現(xiàn)了柔性線纜的等效建模。為了確定仿真材料屬性,基于超彈性材料的Ogden本構(gòu)模型,進(jìn)行了硅膠材料拉伸實(shí)驗(yàn)。通過有限元方法實(shí)現(xiàn)了軟體仿生機(jī)械臂彎曲、軸向收縮、伸長等多模態(tài)基本運(yùn)動的仿真及章魚腕足組合運(yùn)動的模擬。最后,基于章魚仿生原理,設(shè)計(jì)制作了不同構(gòu)型的線驅(qū)動軟體仿生機(jī)械臂樣機(jī),搭建了線驅(qū)動軟體仿生機(jī)械臂特性測試實(shí)驗(yàn)平臺,通過C語言編程和串口通信實(shí)現(xiàn)了線驅(qū)動軟體臂的運(yùn)動控制,并完成了空氣中和水下不同工況的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)彎曲實(shí)驗(yàn),結(jié)合樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對形變參數(shù)的解析模型進(jìn)行了修正,實(shí)現(xiàn)了力學(xué)解析模型和有限元仿真模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP241
【部分圖文】：

圖 1-2 微型軟體移動機(jī)器人[5]圖 1-3OctArm[6]圖 1-4 仿壁虎四足機(jī)器人[7]圖 1-5 仿毛蟲機(jī)器人 GoQBot[8]圖 1-6 可變色的軟體四組機(jī)器人[9]2013年，美國德克薩斯 A&M 大學(xué)研發(fā)了一款離子交換聚合金屬材料（IPMC）驅(qū)動的行走機(jī)器人[10]，如圖 1-7 所示。這種驅(qū)動類型的機(jī)器人輸出位移大、運(yùn)動比較靈活，但是其主要缺點(diǎn)有輸出力較小，響應(yīng)頻率較低等。2014 年，哈佛大學(xué)的 Robert 等人研發(fā)了一款基于氣壓驅(qū)動的仿海星四足軟體機(jī)器人[11]。如圖 1-8 所示，機(jī)器人由高彈性硅膠材料構(gòu)成，使用電動空氣壓縮機(jī)提供動力，可以實(shí)現(xiàn)基本的爬行運(yùn)動，不僅能夠承受很大的壓力，還可以在極熱極寒的惡劣環(huán)境中工作，因此未來非常適合應(yīng)用于災(zāi)難、事故現(xiàn)場狹小環(huán)境的救援工作。

圖 1-2 微型軟體移動機(jī)器人[5]圖 1-3OctArm[6]圖 1-4 仿壁虎四足機(jī)器人[7]圖 1-5 仿毛蟲機(jī)器人 GoQBot[8]圖 1-6 可變色的軟體四組機(jī)器人[9]2013年，美國德克薩斯 A&M 大學(xué)研發(fā)了一款離子交換聚合金屬材料（IPMC）驅(qū)動的行走機(jī)器人[10]，如圖 1-7 所示。這種驅(qū)動類型的機(jī)器人輸出位移大、運(yùn)動比較靈活，但是其主要缺點(diǎn)有輸出力較小，響應(yīng)頻率較低等。2014 年，哈佛大學(xué)的 Robert 等人研發(fā)了一款基于氣壓驅(qū)動的仿海星四足軟體機(jī)器人[11]。如圖 1-8 所示，機(jī)器人由高彈性硅膠材料構(gòu)成，使用電動空氣壓縮機(jī)提供動力，可以實(shí)現(xiàn)基本的爬行運(yùn)動，不僅能夠承受很大的壓力，還可以在極熱極寒的惡劣環(huán)境中工作，因此未來非常適合應(yīng)用于災(zāi)難、事故現(xiàn)場狹小環(huán)境的救援工作。

圖 1-5 仿毛蟲機(jī)器人 GoQBot[8]圖 1-6 可變色的軟體四組機(jī)器人[9]2013年，美國德克薩斯 A&M 大學(xué)研發(fā)了一款離子交換聚合金屬材料（IPMC）驅(qū)動的行走機(jī)器人[10]，如圖 1-7 所示。這種驅(qū)動類型的機(jī)器人輸出位移大、運(yùn)動比較靈活，但是其主要缺點(diǎn)有輸出力較小，響應(yīng)頻率較低等。2014 年，哈佛大學(xué)的 Robert 等人研發(fā)了一款基于氣壓驅(qū)動的仿海星四足軟體機(jī)器人[11]。如圖 1-8 所示，機(jī)器人由高彈性硅膠材料構(gòu)成，使用電動空氣壓縮機(jī)提供動力，可以實(shí)現(xiàn)基本的爬行運(yùn)動，不僅能夠承受很大的壓力，還可以在極熱極寒的惡劣環(huán)境中工作，因此未來非常適合應(yīng)用于災(zāi)難、事故現(xiàn)場狹小環(huán)境的救援工作。圖 1-7 IPMC 六足軟體機(jī)器人[10]圖 1-8 仿海星氣動四足軟體機(jī)器人[11]

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本文編號：2808831