基于SMA的仿生可重构模块化机器人

作     者：利恒浩 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄文恺

授予年度：2024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：形状记忆合金 形状记忆合金致动器 可分化致动器 仿生机器人 可重构机器人 

摘      要：形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)作为一种智能材料,凭借其优秀输出性能、较轻的质量和多种加工工艺适应性,被广泛用于先进机器人系统,尤其是微型机器人、软体机器人和模块化机器人。形状记忆合金的上述特性使可重构模块化机器人的设计更加灵活,并带来更加优秀的性能。本文提出并研究了一种基于SMA的可重构模块化机器人及其设计框架。本文的工作从间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells,MSCs)的机械力引导分化获得仿生灵感,设计并研究了一种可分化的干细胞致动器单元(Stem cell Actuator Units,SAUs),并以外部加载使其分化为一系列分化致动器单元(Differentiated Actuator Units,DAUs)。在此基础上,设计并实验了多种应用。本工作将分化的概念和原理引入SMA可重构模块化机器人的设计,扩展了模块化机器人系统的潜在构型和能力。本文的研究内容包括: (1)提出了一种可重构模块化机器人的仿生设计框架,并设计了基于SMA的致动器。受到间充质干细胞的力引导分化的启发,本文提出一种可重构模块化机器人的设计框架,该框架包含干细胞致动器单元、分化机制和机器人应用原型。考虑了旋转、平移及其复合运动,设计了以SMA弹簧原件驱动的多模态致动器单元。基于SMA材料的电阻特性和热效应,对电流加热过程进行建模,并设计了SMA致动原件的电流加热控制系统。以上研究内容的可行性均通过了实验验证。 (2)考虑形状记忆合金弹簧的旋转、平移及其复合运动,对弹簧的形状记忆效应进行建模和仿真。以基于Liang-Rogers模型的正-切耦合本构模型描述形状记忆合金的行为。在此基础上进行了单轴加载模拟仿真和弹簧的形状记忆效应仿真。以上所述的仿真实验证明了模型的有效性。 (3)在上述模型的基础上,设计了干细胞致动器单元并制作了实验样品,在实验平台上测试了致动器单元的性能,包括输出力、输出力矩和响应时间。同时,探讨了外部预加载(力和力矩)对干细胞致动器单元分化及其对应分化致动器单元性能的影响。实验表明,通过施加不同的外部加载可以使SAUs分化为具有不同运动模态和输出性能的DAUs,这些DAUs可以分为三大类,它们是能实现旋转运动的旋转致动器模块(Revolute Actuator Modules,RAMs),能实现平移运动的平移致动器模块(Prismatic Actuator Modules,PAMs)和能够同时旋转和平移的螺旋致动器模块(Helical Actuator Modules,HAMs)。此外,讨论了电压、工作环境等因素对致动器模块性能的影响。 (4)基于上述的模型和可重构模块化机器人的仿生框架,设计并实现了一系列实验原型,并对它们建模、测试、评估和讨论。设计了基于DAUs的多足机器人并制作了样机,基于样机设计了行走步态并测试了多足机器人的移动性能。设计并制作了两种机械操作臂,包括串联三自由度机械臂和并联机构,仿真并测试了一系列DAUs对可达空间的影响,基于优化的设计参数,设计并制作了样机并对其进行拾取放置测试和轨迹跟踪实验。实验表明基于DAUs的机器人具有良好的性能。此外,DAUs被用于设计机器人的末端执行器,包括回转型夹持器、平移型夹持器和微型自动螺丝刀。这些设计原型均通过了实验和评估,验证了本研究提出的致动器单元和仿生模块化机器人框架在扩展模块化机器人构型上的潜力。