基于液晶弹性体人工肌肉的软变形手一致性控制研究

作     者：寇士营 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗小元

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：液晶弹性体 网格状碳纳米管电热膜 柔性执行器 软变形手 一致性 

摘      要：近年来,随着智能材料的发展和控制科学的突破,敏感材料的精确设计和可控编程为柔性机器人的研究提供了一条新的技术路线,他们比传统的刚性设备更具有适应性、轻量化以及仿生性。现有的智能材料依赖于自身特性,难以准确表达变形、变性、变功能,此外由智能材料组成的柔性执行器在自组装和自变形过程中自由度较高,无法建立精确的控制模型。由多个液晶弹性体（LCE）柔性执行器组成的软变形手可以集成多种功能,并且针对空间柔性抓捕机构的自主可控、协同变化,迫切需要开展柔性构件的协同精准调控机制及技术研究。具体工作如下:首先,提出了一种基于LCE的低压驱动的双层薄膜结构柔性执行器。制备了热响应LCE薄膜;之后通过硅模具的制备和翻模等微纳加工工艺实现对结构化网格状柔性薄膜基底的制备,通过刮涂工艺制备出网格状碳纳米管电热膜;接着制备出具有双层结构的LCE柔性执行器;分别对LCE薄膜和网格状碳纳米管电热膜进行性能表征;并对LCE柔性执行器进行了简单的驱动实验。其次,设计了一种配有可编程的LCE柔性执行器的软手指单元,针对软手指单元模仿拮抗肌肉的设计进行了弯曲和抓取测试;定量研究了不同的结构参数和驱动参数对软手指单元弯曲能力的影响;针对软手指关节的驱动力便于控制,建立了温度与弯曲应力的关系方程;为了满足空间抓捕的需求,进一步设计了一种全软的变形手,并搭建了硬件系统控制策略;为了验证其运动能力,提出了一种建立软手指单元Euler-Lagrange运动学方程的新方法。最后,提出了一种软变形手系统的静态位置一致性控制方法。利用五个相邻软手指单元的角度信息以及自身的角速度信息作为输入,在相互独立的情况下设计了相应的控制协议;进一步,借助图论法以及Mastrosov定理证明了系统的稳定性;并对包含五个软手指单元的软变形手系统进行仿真和数值模拟,通过仿真和实验对比进一步验证了所设计的控制协议的可行性。