具有多運(yùn)動(dòng)模式的可變形軟體機(jī)器人研究.pdf

1、具有無(wú)限自由度和連續(xù)變形能力，可在大范圍內(nèi)任意改變自身形狀和尺寸的軟體動(dòng)物在自然界中具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力。發(fā)展具備類似能力的仿生軟體機(jī)器人，一直是各國(guó)研究人員的目標(biāo)。作為對(duì)仿生機(jī)器人研究的延續(xù)，仿生軟體機(jī)器人通過(guò)主動(dòng)變形和被動(dòng)變形的結(jié)合使其具有出色的運(yùn)動(dòng)靈活性和對(duì)復(fù)雜環(huán)境的相容性，在軍事、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 針對(duì)當(dāng)前仿生軟體機(jī)器人存在運(yùn)動(dòng)模式單一，運(yùn)動(dòng)效率和環(huán)境適應(yīng)能力不能有效兼顧的問(wèn)題，本論文以能實(shí)現(xiàn)三種

2、運(yùn)動(dòng)模式的仿生軟體機(jī)器人為研究對(duì)象，圍繞著仿生軟體機(jī)器人三種運(yùn)動(dòng)模式的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，開(kāi)展了仿生軟體機(jī)器人多運(yùn)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)原理研究，仿生軟體機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，仿生軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究以及內(nèi)嵌SMA絲的平板彎曲驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性研究等工作。論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　 (1)通過(guò)分析自然界中各種軟體動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在已有研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合形狀記憶合金的特性，設(shè)計(jì)了一種將滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)和Ω型運(yùn)動(dòng)方式集合在一起的可變形仿生

3、軟體機(jī)器人。在平坦路面上，通過(guò)自身的柔性變形推動(dòng)仿生軟體機(jī)器人向前滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以提高其運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)效率;在通過(guò)狹小空間時(shí)，身體展開(kāi)采用蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)以提高通過(guò)性;而遇到溝壑或者障礙時(shí)，身體變形采用Ω型前進(jìn)提高其越障能力。通過(guò)對(duì)仿生軟體機(jī)器人的三種運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行詳細(xì)的研究，獲得了軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，然后在此基礎(chǔ)上完成了軟體機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)。軟體機(jī)器人采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，由運(yùn)動(dòng)單元和分離單元組成。每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元包括了偏轉(zhuǎn)單元和

4、蠕動(dòng)單元，設(shè)計(jì)了軟體機(jī)器人的偏轉(zhuǎn)單元和蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)單元以及頭尾連接結(jié)構(gòu)。
　　 (2)利用多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)仿生軟體機(jī)器人兩種典型的運(yùn)動(dòng)模式，滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)和蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真分析?；趥蝿傮w模型建立了仿生軟體機(jī)器人在ADAMS中的滾動(dòng)仿真模型，通過(guò)調(diào)整彈簧力的施加時(shí)序，使得機(jī)器人的滾動(dòng)達(dá)到最優(yōu)，獲得了仿生軟體機(jī)器人在X軸方向（滾動(dòng)方向）和Y軸方向（垂直于滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向）的運(yùn)動(dòng)位移和速度曲線圖，給出了仿生軟體機(jī)器人滾動(dòng)

5、運(yùn)動(dòng)的控制策略。建立了軟體機(jī)器人在ADAMS中的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真模型，采用微型鋸齒結(jié)構(gòu)來(lái)模擬仿生剛毛結(jié)構(gòu)和粗糙的地面，獲得了軟體機(jī)器人在X軸方向（蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向）上的運(yùn)動(dòng)位移和速度曲線圖，并分析了運(yùn)動(dòng)特性。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的材料和設(shè)備，加工一個(gè)仿生軟體機(jī)器人的原理樣機(jī)，采用AB膠來(lái)粘結(jié)軟體機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，簡(jiǎn)化了軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了可同時(shí)控制24路SMA偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的仿生軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。驗(yàn)證了采用粘結(jié)的方式連接仿生軟體機(jī)器人頭尾可

6、以從環(huán)形運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)軟體機(jī)器人的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究（機(jī)器人可以在6s的內(nèi)可以滾動(dòng)160mm）
　　 (3)基于三維空間力系平衡關(guān)系，分別建立了SMA線性致動(dòng)器的力學(xué)平衡方程和彈性基板的力平衡方程和力矩平衡方程，綜合SMA線性致動(dòng)器的平衡方程和彈性基板的平衡方程即可獲得平板彎曲驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)平衡方程，并引入SMA本構(gòu)方程和SMA熱力學(xué)平衡方程，在已知平板驅(qū)動(dòng)器各個(gè)參數(shù)的情況下，使得平板彎曲驅(qū)

7、動(dòng)器的偏轉(zhuǎn)過(guò)程可以被有效的預(yù)測(cè)出來(lái)。
　　 (4)對(duì)SMA準(zhǔn)靜態(tài)熱/力耦合特性、動(dòng)態(tài)熱/力耦合特性及本構(gòu)模型進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，并重點(diǎn)研究了SMA絲在不同應(yīng)力條件下相變溫度隨應(yīng)變的變化而改變的特性以及不同應(yīng)變速率情況下的應(yīng)力-應(yīng)變特性?；赟MA具有輸出力大、變形大、較高功重比、低電壓驅(qū)動(dòng)和壽命長(zhǎng)的特性，設(shè)計(jì)了性能穩(wěn)定且可靠的內(nèi)嵌SMA絲的平板彎曲驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)其偏轉(zhuǎn)特性進(jìn)行詳細(xì)的研究。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)