蜂巢氣動(dòng)手指物理仿真研究.pdf

1、機(jī)器人技術(shù)在過(guò)去的幾十年取得了巨大進(jìn)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)，醫(yī)療，教育以及家庭服務(wù)等方面。然而，在某些特殊條件下，用硬質(zhì)材料制成關(guān)節(jié)并依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)的剛體機(jī)器人的應(yīng)用仍受到一些限制。如在室外凹凸不平的地面移動(dòng)，穿越彎曲狹小的管道，抓取光滑的球體等，其無(wú)法良好的適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。由于具有順從性并且能和周?chē)h(huán)境柔和的交互，軟機(jī)器人已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。然而目前大多數(shù)軟機(jī)器人都是依靠研究人員的直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，缺乏系統(tǒng)性的理論分析，如受力分

2、析，形變分析等，需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)不斷對(duì)假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證，研發(fā)成本較高。在缺乏合適材料的情況下，無(wú)法對(duì)軟機(jī)器人進(jìn)行加工制作，相關(guān)的控制算法也無(wú)法得到驗(yàn)證。對(duì)于軟機(jī)器人的研究人員來(lái)說(shuō)，一個(gè)功能完善的仿真平臺(tái)是非常必要的。
　　本論文構(gòu)建了一個(gè)蜂巢軟體氣動(dòng)手指模型，它是由內(nèi)嵌的蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成，克服了矩形氣動(dòng)單元易破裂，對(duì)材料韌性要求高的缺點(diǎn)。為了分析氣動(dòng)單元內(nèi)氣壓變化對(duì)手指形變產(chǎn)生的影響，文中建立了相應(yīng)的理論模型和物理仿真模型。由于B

3、ullet物理引擎自身不能有效的支持氣動(dòng)機(jī)器人的仿真，所以我們對(duì)其軟體仿真部分進(jìn)行擴(kuò)充和改進(jìn)，基于Bullet構(gòu)建了一個(gè)可以仿真蜂巢氣動(dòng)手指的物理仿真平臺(tái)。在理論模型中，根據(jù)氣動(dòng)手指隨氣壓變化而產(chǎn)生的形變特征我們對(duì)氣囊建立了氣壓-形變模型。首先分析了單個(gè)氣動(dòng)單元是如何隨氣壓變化而產(chǎn)生形變，在此基礎(chǔ)上又分析由多個(gè)氣動(dòng)單元構(gòu)成的氣動(dòng)手指如何發(fā)生形變產(chǎn)生彎曲效果。在物理仿真模型中，我們以質(zhì)點(diǎn)-連接的形式表示蜂巢氣動(dòng)手指，將其宏觀形變映射到微觀

4、下質(zhì)點(diǎn)間約束的變化，建立了氣壓-形變-質(zhì)點(diǎn)間約束的映射關(guān)系，使得仿真平臺(tái)可以支持氣動(dòng)手指在三維環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)態(tài)形變仿真，文章同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了軟體手指與剛體物體的動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)方法。
　　在本論文工作的基礎(chǔ)上，無(wú)需考慮材料的選擇和加工問(wèn)題，即可完成虛擬氣動(dòng)手指的氣壓-形變分析。我們利用這個(gè)不含任何剛體關(guān)節(jié)和電機(jī)的氣動(dòng)手指構(gòu)建了一個(gè)虛擬手爪，并對(duì)其進(jìn)行三維環(huán)境下的物理仿真。通過(guò)控制氣動(dòng)手指內(nèi)氣動(dòng)單元的氣壓變化，手指可以實(shí)現(xiàn)彎曲的效果，并且可用