具有多運(yùn)動模式的可變形軟體機(jī)器人研究.pdf

1、具有無限自由度和連續(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，一直是各國研究人員的目標(biāo)。作為對仿生機(jī)器人研究的延續(xù)，仿生軟體機(jī)器人通過主動變形和被動變形的結(jié)合使其具有出色的運(yùn)動靈活性和對復(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。
　　 針對當(dāng)前仿生軟體機(jī)器人存在運(yùn)動模式單一，運(yùn)動效率和環(huán)境適應(yīng)能力不能有效兼顧的問題，本論文以能實(shí)現(xiàn)三種

2、運(yùn)動模式的仿生軟體機(jī)器人為研究對象，圍繞著仿生軟體機(jī)器人三種運(yùn)動模式的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，開展了仿生軟體機(jī)器人多運(yùn)動模式實(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)動特性研究以及內(nèi)嵌SMA絲的平板彎曲驅(qū)動器動態(tài)特性研究等工作。論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　 (1)通過分析自然界中各種軟體動物的運(yùn)動特點(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)了一種將滾動運(yùn)動、蠕動運(yùn)動和Ω型運(yùn)動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，通過自身的柔性變形推動仿生軟體機(jī)器人向前滾動運(yùn)動，以提高其運(yùn)動速度和運(yùn)動效率;在通過狹小空間時，身體展開采用蠕動運(yùn)動以提高通過性;而遇到溝壑或者障礙時，身體變形采用Ω型前進(jìn)提高其越障能力。通過對仿生軟體機(jī)器人的三種運(yùn)動模式進(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)動模式的運(yùn)動機(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)動單元和分離單元組成。每個運(yùn)動單元包括了偏轉(zhuǎn)單元和

4、蠕動單元，設(shè)計(jì)了軟體機(jī)器人的偏轉(zhuǎn)單元和蠕動運(yùn)動單元以及頭尾連接結(jié)構(gòu)。
　　 (2)利用多剛體運(yùn)動學(xué)仿真軟件ADAMS對仿生軟體機(jī)器人兩種典型的運(yùn)動模式，滾動運(yùn)動和蠕動運(yùn)動，進(jìn)行運(yùn)動學(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中的滾動仿真模型，通過調(diào)整彈簧力的施加時序，使得機(jī)器人的滾動達(dá)到最優(yōu)，獲得了仿生軟體機(jī)器人在X軸方向（滾動方向）和Y軸方向（垂直于滾動運(yùn)動方向）的運(yùn)動位移和速度曲線圖，給出了仿生軟體機(jī)器人滾動

5、運(yùn)動的控制策略。建立了軟體機(jī)器人在ADAMS中的蠕動運(yùn)動仿真模型，采用微型鋸齒結(jié)構(gòu)來模擬仿生剛毛結(jié)構(gòu)和粗糙的地面，獲得了軟體機(jī)器人在X軸方向（蠕動運(yùn)動方向）上的運(yùn)動位移和速度曲線圖，并分析了運(yùn)動特性。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的材料和設(shè)備，加工一個仿生軟體機(jī)器人的原理樣機(jī)，采用AB膠來粘結(jié)軟體機(jī)器人的各個運(yùn)動單元，簡化了軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了可同時控制24路SMA偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器的仿生軟體機(jī)器人運(yùn)動控制系統(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)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換到直線運(yùn)動狀態(tài)，以及通過實(shí)驗(yàn)的方法對軟體機(jī)器人的滾動運(yùn)動特性進(jìn)行了研究（機(jī)器人可以在6s的內(nèi)可以滾動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)動器的動力學(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)動器各個參數(shù)的情況下，使得平板彎曲驅(qū)

7、動器的偏轉(zhuǎn)過程可以被有效的預(yù)測出來。
　　 (4)對SMA準(zhǔn)靜態(tài)熱/力耦合特性、動態(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)動和壽命長的特性，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)動器，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)對其偏轉(zhuǎn)特性進(jìn)行詳細(xì)的研究。通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)