軟體機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中新興的一個(gè)分支領(lǐng)域,其因有良好的主被動(dòng)適應(yīng)性、適合在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作以及高安全度等優(yōu)點(diǎn),吸引了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注與研究。然而軟體機(jī)器人普遍存在剛度不足或者剛度不可調(diào)控的問(wèn)題,現(xiàn)有的顆粒阻塞變剛度技術(shù)因?yàn)閮?nèi)部顆粒摩擦機(jī)理復(fù)雜而無(wú)法建立有效的剛度模型,這些因素極大地阻礙了軟體機(jī)器人真正進(jìn)入實(shí)用研究階段。因此開(kāi)展相關(guān)研究是非常具有價(jià)值和意義的。本文主要工作目的是設(shè)計(jì)一種可加持于其它軟體裝置的可變剛度軟體結(jié)構(gòu),并針對(duì)設(shè)計(jì)的變剛度結(jié)構(gòu)提供出較為簡(jiǎn)單可靠的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。主要內(nèi)容包括:(1)歸納總結(jié)軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)變剛度的主要方法和原理,根據(jù)同步帶在不同嚙合狀態(tài)下的力學(xué)特性,設(shè)計(jì)出一種新型的氣動(dòng)變剛度軟體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)主要依靠?jī)?nèi)部齒的嚙合實(shí)現(xiàn)剛度變化。針對(duì)嚙合狀態(tài)下的受力情況,優(yōu)化了嚙合齒的形狀。(2)根據(jù)鐵木辛柯深梁理論,并結(jié)合逐段剛化法,對(duì)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,建立了軟體基節(jié)在嚙合前后的剛度數(shù)學(xué)模型,在理論上驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的有效性。選取嚙合齒數(shù)作為嚙合程度的特征指標(biāo),有效地規(guī)避了復(fù)雜的連續(xù)介質(zhì)力學(xué),從而建立簡(jiǎn)單有效的變剛度數(shù)學(xué)模型。(3)針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的變剛度結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型,使用有限元軟體ABAQUS進(jìn)行驗(yàn)證分析。通過(guò)對(duì)嚙合前后的軟體基節(jié)進(jìn)行建模、加載變形后處理分析,驗(yàn)證了該變剛度結(jié)構(gòu)的有效性以及數(shù)學(xué)模型的正確性。通過(guò)對(duì)理論模型中所做的簡(jiǎn)化過(guò)程進(jìn)行有限元分析,對(duì)比分析結(jié)果,對(duì)數(shù)學(xué)理論模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行修正優(yōu)化。(4)最后,搭建適用于軟體基節(jié)剛度實(shí)驗(yàn)氣動(dòng)平臺(tái)和測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展剛度實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)理論模型的有效性和準(zhǔn)確性,并針對(duì)出現(xiàn)的預(yù)期外的結(jié)果作出分析,為理論成熟度與準(zhǔn)確度的提升提供參考。本文設(shè)計(jì)了一種新型的變剛度軟體基節(jié),建立了簡(jiǎn)單有效的變剛度數(shù)學(xué)理論模型,并通過(guò)有限元的方法與實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的有效性和數(shù)學(xué)模型的正確性。本文工作可以為其他變剛度結(jié)構(gòu)的理論模型的建立提供思路與參考。
【學(xué)位單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

體變剛度技術(shù)可以在一定程度上可以增大軟體機(jī)器人的剛度，然而度技術(shù)的研究重點(diǎn)都在新型變剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝、材料屬性，而很少建立變剛度驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)程度和引起的剛度變化的數(shù)學(xué)要原因是變剛度內(nèi)部機(jī)理（例如顆粒阻塞技術(shù)中的顆粒摩擦機(jī)此設(shè)計(jì)出一種便于進(jìn)行變剛度模型建立的變剛度結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崗睦碚撋系木珳?zhǔn)調(diào)控，而且理論也可以指導(dǎo)對(duì)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化范圍變得更大。動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器與軟體手的研究現(xiàn)狀了少數(shù)使用例如球軸承等非軟性材料作為結(jié)構(gòu)主體的軟體機(jī)器人機(jī)器人的基體主要用超彈性材料或者智能材料制成，按驅(qū)動(dòng)原理主料驅(qū)動(dòng)[34-37]、流體驅(qū)動(dòng)[38-39]、化學(xué)驅(qū)動(dòng)[40]以及生物驅(qū)動(dòng)[41]等驅(qū)動(dòng)的材料和新的驅(qū)動(dòng)方式使得軟體機(jī)器人有更多的選擇性和環(huán)境適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合與條件運(yùn)用不同的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行軟體機(jī)器人的器中氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器憑借功率/重量比大、價(jià)格低廉、清潔無(wú)污染、安滑，且易于控制等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛關(guān)注與研究。

圖 1-2 FMA 結(jié)構(gòu)[43]Figure 1-2. FMA structure芝公司開(kāi)發(fā)了氣動(dòng)人工肌肉 FMA[43]，如圖 1-2 所示為 FMA 結(jié)構(gòu)。氣內(nèi)部有 3 個(gè)氣腔用于軟體驅(qū)動(dòng)器的變形，在橡膠管壁內(nèi)部布置了限制其膨脹的組織纖維，通過(guò)三個(gè)氣腔的氣壓耦合可以使機(jī)器人基體向任一方具有高度的靈活性。類似的設(shè)計(jì)還有浙江工業(yè)大學(xué)的三腔氣動(dòng)軟體軟體如圖 1-3 所示，其在 FMA 的基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)部的氣腔進(jìn)行形狀的優(yōu)化，并心的剛度調(diào)節(jié)腔，通過(guò)沖入氣壓對(duì)軟體軟體基節(jié)的剛度進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)變剛度結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析建立出數(shù)學(xué)模型。橡膠管 纖維端蓋 氣室端蓋 充氣管

FMA結(jié)構(gòu)

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本文編號(hào)：2830271