弹性杆扭转失稳及其在软体机器人中的应用

作     者：谢琦 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁卫锋

授予年度：2022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] 

主      题：环形弹性杆 失稳 有限元法 仿刺鳐机器鱼 

摘      要：目前,软体机器人已成为机械领域内研究的热点,然而,软体机器人的结构、驱动及控制方面仍存在许多值得深入研究的课题。弹性杆的稳定性模型在生命科学和诸多工程领域中得到了广泛应用,但将其运用于软体机器人的研究鲜有报道。本研究基于环形弹性杆在扭转作用下的循环失稳特性,提出了一种单自由度控制、功能-结构一体化的柔性传动机构,并将其作为波动式驱动装置应用于仿生机器鱼。首先,建立了环形弹性杆的力学模型,并依此对环形弹性杆扭转作用下的稳定性进行了理论分析。基于小扰动分析方法求解得出了环形弹性杆失稳的临界扭转角,研究了其后屈曲特性。其次,构建了环形弹性杆的静力学和动力学有限元模型,通过数值模拟研究了环形弹性杆在连续扭转作用下的力学响应和不同约束条件下的多稳态特性。结果表明:环形弹性杆在持续扭转作用下存在循环失稳的独特现象,其变形模态和突跳翻转与几何、材料性质及扭转速度相关。例如,在一定范围内,环形弹性杆的扭转速度增大时,其失稳临界角(?)增加但其翘曲的幅度减小,初始形状为圆形的弹性杆的(?)最小;随着形状参数b/R的值变大,环形弹性杆翘曲的幅度变小;增加释放端反向扭矩M,环形弹性杆的失稳临界角(?)和翘曲的幅度也增加,且弹性杆上翘曲变形的波数增多。最后,以环形弹性杆为柔性传动机构,设计制作了一种波动式驱动的仿刺鳐机器鱼。依据有限元仿真结果设计测试方案,通过水箱和开放水域试验验证了环形弹性杆波动式驱动模式的有效性,考察了电机转速、不同翼型及尾端摩擦对仿生机器鱼运动速度的影响,根据测试结果获取的各参数影响规律和数值模拟结果相一致。本研究将环形弹性杆的失稳特性应用于软体机器人领域,为软体机器人功能-结构一体化的研究增添了新思路;提出的柔性波动式传动机构与传统的传动机构相比,具有结构简单、易于控制、成本低廉等优势;设计制造的仿刺鳐机器鱼可搭载水下设备,在海洋勘探或群体运动研究中具有潜在的应用价值。