基于弹性体材料仿生手的设计、制造及其控制研究

论文摘要

随着机器人技术的快速发展和人工智能的出现,机器人的应用逐渐拓展到许多领域,但同时也面临着操作环境复杂多变,操作对象种类复杂的问题,因此对机器人的适应性和灵活性提出了更高的要求。近年来,材料科学和可拉伸电子等领域的发展促进了软体机器人领域的快速发展。软体机器人由可承受大应变的超弹性材料制成,具有理论上的无限自由度和连续变形能力,有很强的适应性和高度的灵活性。本文在模拟人体手指的结构及功能的基础上,以软体机器人技术为依托,制备出了外形和功能均模仿人体手的仿生手指,并针对仿生手的设计、致动、制备和控制方式展开了系统的研究。首先,根据人体手指结构和运动特点,通过3D打印技术设计了一种符合人体手指运动规律的弯曲致动器,弯曲致动器设有三个柔性弯曲关节,每个弯曲关节均由外部管道独立控制,可以很好地模拟人体手指的运动,并建立了弯曲致动器的静力学理论模型。其次,通过单轴拉伸试验测试了弯曲致动器所使用的材料Ecoflex 00-50和PDMS在不同拉伸速率下的应力-应变曲线,借助Abaqus软件对弯曲致动器的弯曲性能进行有限元仿真分析,并与实验结果进行对比分析。结果显示,在外部气压为50kPa时,弯曲致动器的弯曲角度可达217°,本文根据弯曲致动器的理论模型,系统地研究了致动器的三个参数（腔室壁厚、腔室个数和腔室半径）对致动器弯曲性能的影响。再次,通过仿生手的制造工艺和弯曲致动参数的优化选择,制备出外形和功能均模仿人体手的仿生手,对仿生手各手指的弯曲性能和指尖载荷能力进行实验研究,结果显示,仿生手总共设有14个单向弯曲关节,每个关节的最大弯曲角度在80°100°之间,每根手指的运动轨迹与人体手指的实际运动轨迹相吻合,手指的指尖载荷在324mN592mN之间。并且进行了模拟人体手的一些基本动作和抓握实验,从而验证了该仿生手的灵活性及抓取能力。最后,搭建了仿生手气动控制系统平台,利用弯曲传感器制备出可以监测手指弯曲信号的可穿戴式数据手套,通过人体手指的弯曲运动来改变弯曲传感器的阻值,进而改变传感器的输出电压,从而实现对电磁阀的控制,最终实现仿生手指的充气、保持和放气的工作状态。手指腔体内气压的有序跟随变化,实现仿生手和人体手指的同步运动。同时,由于蓝牙模块的加入,可在10米左右的范围内实现无线控制仿生手的运动,并将传感器和控制元件部分实现物理隔离。该研究在康复医疗和抢险救灾等领域都有潜在的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 软体机器人的研究现状与驱动机理
•     1.2.1 形状记忆合金致动
•     1.2.2 流体弹性致动
•     1.2.3 电活性聚合物致动
•     1.2.4 化学或燃烧反应致动
•     1.2.5 磁驱动的软体机器人
•     1.2.6 光驱动的软体机器人
•   1.3 软体机器手的研究现状
•     1.3.1 气动的软体机械手
•     1.3.2 基于纤维增强的软体机械手
•     1.3.3 软体康复手套
•   1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 弯曲致动器的结构设计与制备
•   2.1 引言
•   2.2 硅橡胶材料的性能及本构模型的建立
•     2.2.1 材料选择
•     2.2.2 硅橡胶材料的本构模型
•   2.3 弯曲致动器的设计与制备
•     2.3.1 弯曲致动器的设计思想
•     2.3.2 弯曲致动器的结构设计
•     2.3.3 弯曲致动器的制备
•     2.3.4 双向对称缠绕纤维线的弯曲致动器
•   2.4 弯曲致动器的静力学理论模型
•   2.5 本章小结
• 第三章 弯曲致动器的仿真分析及弯曲性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 硅橡胶材料的单轴拉伸实验
•   3.3 基于ABAQUS弯曲致动器的有限元分析
•     3.3.1 有限元分析方法
•     3.3.2 定义材料属性
•     3.3.3 定义边界条件和划分网格
•     3.3.4 有限元仿真分析讨论
•   3.4 弯曲致动器弯曲性能的影响因素
•     3.4.1 不同壁厚对弯曲致动器弯曲性能的影响
•     3.4.2 不同腔室个数对弯曲致动器弯曲性能的影响
•     3.4.3 不同腔室半径对弯曲致动器弯曲性能的影响
•   3.5 本章小结
• 第四章 仿生手的设计及实验研究
•   4.1 引言
•   4.2 仿生手的制备方案
•     4.2.1 仿生手的总体结构设计
•     4.2.2 弯曲致动器参数的选择
•     4.2.3 仿生手的制作工艺及外形修饰
•   4.3 仿生手的弯曲性能测试
•     4.3.1 不同气压下仿生手指的弯曲变形
•     4.3.2 仿生手各手指的弯曲转角特性
•   4.4 仿生手指的指尖载荷性能研究
•   4.5 仿生手的位姿与抓取实验
•   4.6 本章小结
• 第五章 仿生手的控制系统设计
•   5.1 引言
•   5.2 仿生手硬件平台的设计
•     5.2.1 仿生手控制系统的元器件选型
•     5.2.2 仿生手控制系统的总体结构
•   5.3 主从机模块结构
•     5.3.1 弯曲传感器
•     5.3.2 气路方案设计
•   5.4 仿生手软件平台的设计
•     5.4.1 双机通信
•     5.4.2 蓝牙模块的调试
•     5.4.3 主机程序设计
•     5.4.4 从机程序设计
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗召俊

导师: 程广贵

关键词: 软体机器人,硅橡胶,弯曲致动器,弯曲性能,仿生手,控制系统

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,自动化技术

单位: 江苏大学

分类号: Q811;TP242

总页数: 77

文件大小: 4778K

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