一種可模塊化組裝柔體機(jī)器人的柔性智能模塊化結(jié)構(gòu).pdf

1、傳統(tǒng)剛性機(jī)器人為了滿足機(jī)構(gòu)硬度、運(yùn)動精度和負(fù)載需求而采用電磁驅(qū)動器和剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與之不同的是，柔體機(jī)器人擁有多自由度的運(yùn)動能力及完全柔軟的軀干。柔性機(jī)器人機(jī)體采用新型澆鑄工藝及柔性材料制作而成，如硅橡膠聚合物、高分子材料和聚氨酯等。此外，這類柔性材料對化學(xué)物質(zhì)無反應(yīng)性，可在極端、復(fù)雜環(huán)境下依然保持著高度完整性和穩(wěn)定性，因而，采用這類柔性材料制作的柔體機(jī)器人擁有著較高的靈活性、兼容性和適應(yīng)能力。大部分的柔體機(jī)器人的驅(qū)動器是一種智能驅(qū)動模

2、塊，模仿某種或一類軟體生物的肌肉器官或靜水骨骼系統(tǒng)，一般由智能材料-如形狀記憶合金、電介質(zhì)彈性體、電活性聚合物等-與柔性材料復(fù)合而成;在柔體機(jī)器人中，它們不僅僅作為驅(qū)動模塊，同時(shí)也是機(jī)器人的支撐結(jié)構(gòu)即機(jī)器人的機(jī)體，這種緊湊體型賦予了柔體機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境和狹小空間下的可操作性和靈活性;此外，柔體機(jī)器人在與人類交互過程中有著很高的安全性，是在家庭和公共場所中理想的服務(wù)機(jī)器人平臺。目前為止，柔體機(jī)器人已被應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的援助和搜救以及工業(yè)生

3、產(chǎn)、醫(yī)療領(lǐng)域等。
　　在過去的幾十年里，模塊化機(jī)器人是一種定義某種基礎(chǔ)構(gòu)件能夠通過程序化組裝實(shí)現(xiàn)多種形態(tài)和功能的剛性機(jī)器人的術(shù)語。這類機(jī)器人的模塊化組件擁有獨(dú)立的控制單元和標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，即能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某些單一運(yùn)動，也能夠在程序化組裝的機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。事實(shí)上，模塊化概念可被廣泛地在大自然中觀察到，許多軟體生物擁有輻射對稱或雙邊對稱的結(jié)構(gòu)，其對稱的軀干擁有完全相同的外形、功能以及獨(dú)立的神經(jīng)單元，并通過中央控制器實(shí)現(xiàn)多軀干的耦合

4、以完成避障、捕食等復(fù)雜運(yùn)動。再者，一些軟體動物如海星、章魚等可以再生受損或者截?cái)嗟耐笞?，這種再生能力激勵(lì)了人們設(shè)計(jì)一種低成本、擁有獨(dú)立功能的組件用來快速替換已損壞組件，以實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、節(jié)約維護(hù)成本。
　　本文圍繞模塊化、智能結(jié)構(gòu)和柔性驅(qū)動器這三個(gè)概念，提出了一種基于形狀記憶合金絲驅(qū)動的柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)。所述柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高頻大幅度的往復(fù)運(yùn)動，擁有智能化自反饋控制回路、獨(dú)立的能源單元以及標(biāo)準(zhǔn)的通訊單元。因此，基于柔

5、性智能模塊化結(jié)構(gòu)，多種模式的柔體機(jī)器人能夠被組裝，比如輻射對稱、雙邊對稱機(jī)器人。以輻射對稱柔體機(jī)器人為例，深入探討了機(jī)器人在不同環(huán)境下的適應(yīng)能力，并對其運(yùn)動策略進(jìn)行了針對性的研究，展現(xiàn)了模塊化組裝機(jī)器人的優(yōu)異性能。為了進(jìn)一步拓展柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，基于改進(jìn)型模塊化結(jié)構(gòu)-柔性手指模塊化結(jié)構(gòu)，制作了一款逼真度極高的柔性靈巧手，進(jìn)一步提高了所述柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性和應(yīng)用前景。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)柔性智能

6、模塊化驅(qū)動器及其改進(jìn)型、輻射對稱柔體機(jī)器人以及仿生靈巧手的仿生設(shè)計(jì)及澆鑄工藝探索。通過對肌肉組織、靜水骨骼的結(jié)構(gòu)仿生研究，并融合了生物界中‘模塊化’概念，采用模具成型方法以及分層澆筑工藝，設(shè)計(jì)并制作了一種基于形狀記憶合金絲驅(qū)動的柔性復(fù)合驅(qū)動器-柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)。為了延緩/避免熱死寂現(xiàn)象在柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)長時(shí)間往復(fù)運(yùn)動中的出現(xiàn)，通過對動物血管、植物水管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能仿生研究，采用嵌入式微流管道設(shè)計(jì)及PDMS鍵合技術(shù)，提出了一種基于微

7、流管道水冷卻的柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)。此外，通過對人手肌肉、手骨的仿生研究，得到了人手不同手指的仿生尺寸。為了實(shí)現(xiàn)仿人手指動作的柔性驅(qū)動器，在人手結(jié)構(gòu)和動作的仿生學(xué)指導(dǎo)下，提出了一款基于柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型-柔性仿生手指復(fù)合驅(qū)動器?；谌嵝灾悄苣K化結(jié)構(gòu)及對輻射對稱動物的仿生研究，組裝了一種輻射對稱柔體機(jī)器人，并搭建集成化控制單元;通過對機(jī)器人外部增加貝形蒙皮，將其拓展為仿水母機(jī)器人?；谌嵝灾悄苣K化結(jié)構(gòu)改進(jìn)型-柔性仿生手指復(fù)合驅(qū)動

8、器，通過一體化模具澆鑄工具，制作了一款逼真度極高的柔性仿生靈巧手。
　　(2)柔性智能模塊化驅(qū)動器的運(yùn)動學(xué)及熱動力學(xué)模型。柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)大變形運(yùn)動，其運(yùn)動學(xué)無法采用現(xiàn)有D-H法進(jìn)行建模。為此，基于修正的Brayan D-H法，建立了柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型，并在MATLAB實(shí)現(xiàn)了基于柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的三足輻射對稱柔體機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)動態(tài)仿真。由于形狀記憶合金是通過電流加熱而發(fā)生相變，在柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)長時(shí)間

9、往復(fù)運(yùn)動過程中，其運(yùn)動能力（包括變形范圍，往復(fù)頻率）會隨著時(shí)間而逐漸變?nèi)?，直至進(jìn)入熱死寂狀態(tài)。為了分析柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)導(dǎo)熱過程及熱傳導(dǎo)規(guī)律，基于有限段離散的集總參數(shù)模型、熱交換及熱對流理論，在MATLAB平臺上建立了柔性智能模塊化的熱動力學(xué)模型，并同過實(shí)驗(yàn)-仿真對比驗(yàn)證了模型的有效性和準(zhǔn)確性。
　　(3)柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的自反饋控制系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)高頻往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)及其截止頻率分析。形狀記憶合金電阻值在相變過程中會發(fā)生有規(guī)律且重

10、復(fù)度高的波動變化，基于這一電學(xué)特性，建立了基于形狀記憶合金絲電阻率的自反饋控制系統(tǒng)，自反饋系統(tǒng)的控制參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)依據(jù)采樣信號校準(zhǔn)，因而能夠避免供電壓不穩(wěn)定對的干擾?；谧苑答伩刂葡到y(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)功能:一是實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動過程中的幅度控制-通過給定不同的控制參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的變形幅度控制;二是實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)加熱，自適應(yīng)加熱策略是一種能夠在形狀記憶合金達(dá)到相變溫度后自動停止加熱。采用自適應(yīng)加熱策略能夠有效地延緩

11、模塊化結(jié)構(gòu)的熱死寂現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高了柔性智能模塊化驅(qū)動器的工作時(shí)間，然而其在能力上依然有很大的不足;為此，將微流管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加入到柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)中，并通過水冷進(jìn)行疏導(dǎo)傳熱，可在采用自適應(yīng)加熱策略的基礎(chǔ)上，大大提高柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的工作時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高頻往復(fù)運(yùn)動。引入了往復(fù)運(yùn)動截止頻率概念-給定運(yùn)動頻率下，柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的變形幅度率（歸一化幅度），并以0.707倍最大變形幅度所對應(yīng)的運(yùn)動頻率為截止頻率，用于表達(dá)柔性智能模塊化結(jié)

12、構(gòu)的工作能力及分析其在不同策略和結(jié)構(gòu)下的性能對比。此外，還對柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的變形能力與結(jié)構(gòu)中兩個(gè)參數(shù)之間關(guān)系進(jìn)行了分析，并總結(jié)出其變化規(guī)律。
　　(4)輻射對稱柔體機(jī)器人的多功能運(yùn)動及其控制策略研究。基于柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)，搭建了五足輻射對稱柔性仿生機(jī)器人平臺，用于實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)環(huán)境下的多種功能。首先，基于海星的仿生步態(tài)，研究了機(jī)器人在平坦地面上運(yùn)動速度與步態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，并得到最優(yōu)步態(tài)參數(shù)組，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在平坦地面上快速高效運(yùn)

13、動。其次，將機(jī)器人平臺與機(jī)械臂組裝成為操作平臺，并提出了基于自適應(yīng)加熱策略下的保持抓握狀態(tài)的自適應(yīng)-PWM加熱策略，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對復(fù)雜表面對象、易碎物品的抓握能力，在高負(fù)載下模擬了實(shí)際流水線下抓取-運(yùn)送-釋放過程。再者，研究了小型化三足輻射對稱機(jī)器人的爆發(fā)力測試，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的跳躍步態(tài);機(jī)器人在不同的足運(yùn)動時(shí)序輸入及加熱時(shí)間下，能夠?qū)崿F(xiàn)跳躍高度和方向的控制。最后，通過在五足輻射對稱機(jī)器人加上一層蒙皮，使其成為仿水母機(jī)器人，并探討其在水下

14、射流推進(jìn)機(jī)理。
　　(5)仿生靈巧手的設(shè)計(jì)及工藝、分析及其人機(jī)交互控制策略?；趯θ耸纸Y(jié)構(gòu)、運(yùn)動的仿生研究，改進(jìn)了柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)，使其成為一種柔性手指模塊化結(jié)構(gòu)。基于模具澆鑄技術(shù)，探討了仿生靈巧手系統(tǒng)的制作工藝，成功試制了多款靈巧手樣機(jī)，分析了仿生靈巧手手指的運(yùn)動原理及其工作能力。搭建了基于肌電信號的仿人靈巧手人機(jī)交互控制系統(tǒng)，通過肌電采集提取人手指動作信號，并進(jìn)行模式識別發(fā)出相應(yīng)的指令傳達(dá)給靈巧手系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)仿生靈巧手的人