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        如何提高軟體機器人的剛柔可控性

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        上傳日期: 2020-09-09

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        資料介紹

        標簽:機器人(15563)控制器(6986)驅動器(3783)

          軟體機器人具有超強的環境適應性、敏感性和靈活性,可吸收碰撞所產生的能量,與人或環境友好交互,并能模擬生物系統連續運動,在軍事偵察、災難救援等復雜環境的探索與檢測方面具有重要的應用價值。當前的研究重點多集中于提高柔順性能,但較少考慮其實時的剛柔可控性,即要求運動時表現出高柔性,執行任務時又能展示出強剛度。本文結合主動驅動的氣動網絡結構與被動驅動的堵塞機構的優勢,設計出實時變剛度的軟體驅動器,通過理論和有限元分析該設計的優越性和可靠性,最終通過實驗驗證了變剛度軟體驅動器的變剛度性能與彎曲性能。具體內容為:首先,對變剛度結構和氣動驅動結構的動作原理進行研究,并在已有研究工作的基礎上,設計了一種氣動-堵塞機構耦合的變剛度軟體驅動器。變剛度軟體驅動器采用模塊化的設計思想,由多個單元模塊組成,各單元模塊由柔性連接件串聯。每個單元模塊包括了三個部分:堵塞變剛度結構、氣動驅動結構和硅膠纖維復合層。其次,利用赫茲接觸模型,建立變剛度結構數學模型,從理論上研究其變剛度形成機理,并依據分析,對變剛度結構進行參數優化。同時利用 Abaqus 有限元軟件對氣動驅動結構進行分析,研究空腔內壓強、空腔形狀和空腔大小對彎曲角度的影響,并對氣動驅動結構設計進行優化。再次,對變剛度軟體驅動器的制作中使用的 3D 打印和硅膠澆筑技術進行研究,并對單元模塊的三個部分進行制做和組裝;同時,設計了氣動控制系統和真空控制器,并對氣動控制系統和真空控制器的系統組成和原理進行了介紹。最后,搭建剛度測試實驗平臺,對不同條件下變剛度結構的剛度進行測試,并測試驗證本設計變剛度結構的剛度重復精度和穩定性優于現有小顆粒機構。同時,搭建彎曲性能測試實驗平臺,對氣動驅動結構的彎曲性能和拉伸性能進行測試實驗,并驗證本設計氣動驅動機構彎曲和拉伸的性能和穩定性。

          傳統剛性機器人在與自然環境交互時,柔順性不足,對環境的適應能力有限,大大限制了機器人的應用范圍,故近年來應用軟體材料制作的軟體機器人成為了研究熱點。與剛性機器人相比,軟體機器人具有超強的環境適應性、敏感性和靈活性,可吸收碰撞所產生的能量,與人或環境友好交互,并能模擬生物系統連續運動。軟體機器人是一門多學科交叉的研究,涉及仿生學、機器人學、軟材料學以及控制等學科。近年來,軟體機器人已成為國際研究的熱點領域。美國國防部高級研究計劃局,哈佛大學,MIT 等研究機構都將軟體機器人列入長期研究計劃;意大利科技研究所和蘇黎世理工學院參與的歐洲研究計劃 EU OCTOPUS IP 和 RoboSoft,均是國際上較有特色的研究。由于軟體機器人成果的不斷出現,塔夫斯大學教授 Barry于 2014 年創立了國際學術期刊 Soft Robotics,專門報導軟體機器人的研究成果,該期刊 2018 年影響因子達 5.057;2016 年創刊的 Science 子刊 Science RoboTIcs 每期就有近三分之一論文專門報道軟體機器人有關成果。此外,還有 ICRA、IROS 等大量會議和期刊創立軟體專題,共同探討軟體機器人的技術難題。盡管軟體機器人的柔順性有諸多優點,但完全低剛度的軟體結構也有其缺陷。放眼生物領域可以發現,完全柔軟的動物多數體型較小,而大型動物通常有一個剛性骨架支撐自身的重量[2]。沒有骨架的大型軟體動物一般只能生長在水里(如魷魚和水母)或地下(如大蚯蚓),離開支撐他們身體的介質將無法生存??梢?,研究具有可變剛度能力且可適應自然環境的軟體機器人是該領域的必然趨勢。在自然界中,已經存在許多可變剛度軟體結構的動物實例:章魚可選擇性的使其手爪變硬,形成“剛性骨架”;烏賊應用觸須,大象應用象鼻來傳遞較大的外力;人類的舌頭和嘴唇也是變剛度的應用實例。上述生物現象表明,理想的軟體機器人應該具有以下結構特點:在運動過程中能表現出較大的柔性,在執行特定“任務”時又能展示出超強的剛度。因此,研究動物運動機理,設計可變剛度的軟體機器人,獲得與生物體相媲美的運動能力和執行能力,具有重要學術意義和應用價值,是未來一段時間機器人領域的一個重要研究方向。

          軟體機器人存在多種驅動方式,主動驅動方式可變化軟體機器人的位置,而半主動驅動方式可變化軟體機器人剛度。將二者結合可形成功能強大軟體機器人。在主動驅動方式中,流體驅動器的結構簡單,易設計且擴展性強。在半主動驅動方式中,基于堵塞原理的變剛度結構反應快速高效,成本低,易于控制且功能多樣。不過,到目前為止此類堵塞機構多應用小尺寸顆粒材料,而這種機構由于小顆粒易發生變形和重新排列,可能導致不同運動形態和變剛度失效,也降低了機構重復定位精度,甚至定位錯誤。同時,精確數學模型較難建立,科研人員目前多試圖從實驗的角度去分析影響堵塞機構的主要因素,包括:分析顆粒數量、形狀、尺寸和彈性薄膜的機械特性對剛度的影響。 基于這些原因,本文提出了一種基于大、小顆粒的堵塞機構,設計并實施了一種基于堵塞機構的驅動器。建立了機構末端的靜力學模型,分析其變剛度機理,并對其仿真。最后就影響剛度的參數進行實驗。本文以可變剛度軟體機器人為研究對象,在深入分析氣動網絡(Pneu-net)。驅動的主動控制特性及堵塞機構的被動式變剛度特性的基礎上,提出一種新型的可變剛度軟體驅動器解決方案,將主動的氣動網絡驅動與被動式堵塞機構驅動機理相融合,開展變剛度軟體驅動器動態建模與控制方法研究,該驅動器有望為擴展變剛度軟體機器人應用范圍提供新的理論和技術支持。

          本文總體架構安排如下:

          第一章,首先分析了變剛度軟體機器人的研究背景與意義,重點回顧了幾種軟體機器人的驅動方式和實驗方案,分析了各自的優缺點。隨后梳理了變剛度全體機器人研究的關鍵技術與現存不足,進一步凸顯變剛度軟體機器人的特點與優勢。第二章,在綜合分析變剛度結構和氣動驅動結構動作原理基礎上,設計一種氣動-堵塞機構耦合的變剛度軟體機器人。變剛度軟體驅動器采用模塊化的設計思想,由多個單元模塊經柔性連接件串聯組成。同時,對每個單元模塊包含的堵塞變剛度結構、氣動驅動結構和硅膠纖維復合層進行詳細介紹。第三章,應用赫茲接觸模型,建立變剛度結構的數學模型,研究變剛度原理,并對結果進行了仿真分析;再應用有限元軟件 Abaqus 建立氣動驅動結構和硅膠纖維復合結構的數學模型,并對其運動性能進行研究分析。采用控制變量法分析機構參數對驅動器彎曲性能的影響,優化機構的幾何參數。第四章,簡要介紹了變剛度機器人樣機的制作流程,首先介紹了機構的總體制造技術,制造設備和材料進行介紹,再就堵塞變剛度結構、氣動驅動結構和硅膠-纖維復合結構具體介紹詳細制造流程。最后,對氣動控制系統和真空控制器的系統組成和原理進行了介紹。第五章,介紹了剛度測試實驗平臺和實驗環境,并對機構的剛度性能、剛度控制精度和穩定性進行測試;再對氣動驅動器的性能測試實驗平臺和環境進行介紹,對氣動驅動結構的彎曲性能和拉伸性能進行測試實驗,測試本設計氣動驅動結構的彎曲、拉伸性能。

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