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基于颗粒堵塞的变刚度软体机械手设计与试验研究

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基于颗粒堵塞的变刚度软体机械手设计与试验研究

作者：林乐康烟台大学

学位级别：硕士

软体机械手相较于刚性机械手,具有安全性强、适应性高等优势,但其存在抓取力不足、姿态保持能力差和动态稳定性差等问题。因此,引入可变刚度的机构,使软体机械手能够在不同任务需求下灵活变换刚度,从而提高其抓取力和抓取稳定性具有重... 详细信息

软体机械手相较于刚性机械手,具有安全性强、适应性高等优势,但其存在抓取力不足、姿态保持能力差和动态稳定性差等问题。因此,引入可变刚度的机构,使软体机械手能够在不同任务需求下灵活变换刚度,从而提高其抓取力和抓取稳定性具有重大意义。本文对变刚度软体机械手的变刚度机理、结构设计、理论建模、仿真分析、制备工艺和抓取应用等方面展开深入研究,创新设计出一种刚度性能更优的新型颗粒堵塞变刚度软体机械手,具体研究内容和结论如下:(1)基于对人手指的仿生,对变刚度单指进行模块化设计。对驱动器模块,设计气动三段式多气腔结构,通过单轴拉伸试验和试验数据拟合建立驱动器材料Yeoh本构模型,并计算模型参数,基于分段常曲率方法和虚功原理建立描述驱动气压与弯曲角度关系的弯曲模型。对变刚度模块,针对现阶段颗粒重排对颗粒堵塞变刚度方法刚度影响较大的问题,设计球关节骨架与颗粒耦合的新型颗粒堵塞变刚度结构,并建立描述负压与刚度关系的刚度模型。(2)利用ABAQUS软件对柔性驱动器进行有限元仿真分析,以弯曲模型所提出的相关结构参数为变量,通过分析不同变量下的最大应力与弯曲角度,确定驱动器结构参数。利用分层制造的方法对驱动器进行制备,并对其进行弯曲性能测试,通过对仿真、试验与弯曲模型结果的对比,验证了弯曲模型的正确性。随后,对驱动器指尖力进行测试,得到驱动气压为100k Pa时,其指尖力为1.35N。(3)以刚度模型所提出的相关结构参数为变量,通过三点弯曲刚度测试试验,确定变刚度模块结构参数。当模块颗粒为直径4mm的玻璃颗粒,外膜为膜厚0.6mm的硅胶膜时,模块刚度达到1.849N/mm,相较于传统无球关节骨架颗粒堵塞结构提升了29.4%。将变刚度模块与驱动器模块结合制备变刚度单指,对其弯曲性能进行测试,针对高刚度与良好的弯曲性能相矛盾的问题,提出差分气压控制方法,刚度相同时使变刚度单指的弯曲角度提升了34.52%。随后,对变刚度单指指尖力进行测试,得出变刚度单指指尖力相较于无变刚度模块提升了217.7%。(4)基于Sawyer协作机器人,为变刚度软体机械手设计连接底座并进行装配。设计气路控制系统与视觉定位系统,实现机械手对目标物体的精准抓取。针对四指机械手,设置指尖抓取和环抱抓取两种抓取姿态进行最大抓取重量测试试验,得到变刚度软体机械手相较于传统软体机械手环抱抓取性能提升110.56%,指尖抓取性能提升280.2%,验证了变刚度模块对软体机械手抓取性能的提升。最后,对日常生活中常见的食物与工具进行抓取,验证了变刚度软体机械手的实用性和通用性。

关键词：软体机械手变刚度球关节骨架颗粒堵塞

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多功能软体机械手的设计与建模

机械工程学报 2022年第9期58卷 1-9页

作者：刘佳鹏王江北赵威费燕琼上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

设计了一款新颖的多功能软体机械手,其由两个软体手指和一个软体手腕集成一体。软体手指由四个并联的双向弯曲气动软体驱动器组成;软体手腕主要由一个双轴双向弯曲气动软体驱动器构成,软体手指、软体手腕协同动作,可以实现软体机械手的... 详细信息

设计了一款新颖的多功能软体机械手,其由两个软体手指和一个软体手腕集成一体。软体手指由四个并联的双向弯曲气动软体驱动器组成;软体手腕主要由一个双轴双向弯曲气动软体驱动器构成,软体手指、软体手腕协同动作,可以实现软体机械手的多方位、多任务操作。根据软体机械手所需运动范围和抓取力确定了软体机械手的尺寸参数。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了上述两个双向弯曲软体驱动器的欧拉梁弯曲模型和悬臂梁弯曲模型,获得了双向弯曲软体驱动器弯曲曲率、弯曲力矩和充气气压三者之间的解析表达式,以及双向弯曲软体驱动器受到载荷时的弯曲变形曲线,通过双向弯曲软体驱动器的自由弯曲试验和弯曲变形试验验证了上述模型的正确性。通过软体机械手的闭合抓取试验和张开提起试验说明了软体机械手的实用性。

关键词：软体机械手双向弯曲软体驱动器欧拉-伯努利梁理论建模

基于液-气转化机制软体机械手的设计与位置控制

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机械工程学报 2022年第18期58卷 205-217页

作者：孙敏洁陈松雨李军锋黄永安武汉理工大学机电工程学院武汉430070 华中科技大学机械科学与工程学院数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074

针对现有软体机械手存在形变模型不准确、操作空间小和位置控制精度低等问题,设计出一种液-气相变驱动三关节软体机械手并进行了相应的形变改进模型分析与运动控制试验。建立一种考虑温度与材料自重因素的硅胶形变非线性力学模型且基于... 详细信息

针对现有软体机械手存在形变模型不准确、操作空间小和位置控制精度低等问题,设计出一种液-气相变驱动三关节软体机械手并进行了相应的形变改进模型分析与运动控制试验。建立一种考虑温度与材料自重因素的硅胶形变非线性力学模型且基于该模型完成了机械手的弯曲性能分析,建立三关节机械手末端操作空间的数学模型。而后基于传统刚性机械手的运动学逆解算法,提出一种基于最小驱动能量函数的运动学逆解方法来确定机械手各关节的弯曲角度。通过最小驱动能量函数并利用神经网络算法策略实现了三关节软体机械手末端轨迹的稳定控制,其相对位置距离偏差小于2.8%。通过充分的试验和理论分析,为液-气相变转化驱动软体机械手的后期实际应用提供了理论支撑。

关键词：软体机械手液-气相变驱动器位置控制

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软体机械手研究综述

机械工程学报 2017年第13期53卷 19-28页

作者：张进华王韬洪军王煜西安交通大学制造系统工程国家重点实验室西安710049 香港科技大学机械与航空航天工程系香港999077

软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性,软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点,受到国内外学者和机构的广泛研究,并表现出良好的应用前景。综... 详细信息

软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性,软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点,受到国内外学者和机构的广泛研究,并表现出良好的应用前景。综述了软体机械手的应用领域、驱动方式、材料与制造、建模与控制的相关问题,并梳理了软体机械手研究中依旧存在的问题和可能的解决方案以及软体机械手的发展趋势。软体机械手是软体机器人领域的一个重要分支,其研究涉及材料学、力学、化学、机械设计与制造、电子与控制科学以及仿生学等诸多领域的交叉和融合。对软体机械手的研究将极大丰富人们对柔性材料的复杂、丰富特性的理解,也将为更好地把柔性材料融入产品的设计提供理论和技术指导。

关键词：软体机械手软体机器人人机交互柔性材料

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变结构气动软体机械手的设计及试验研究

机床与液压 2023年第13期51卷 7-13,26页

作者：付敏王成梦郝镒林高泽飞陈效庆东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040

针对软体机械手抓取稳定性差等问题,设计一种由转换机构和软体手指等组成的变结构气动软体三指机械手。机械手可实现4种抓取模式,通过转换机构的结构变换改变软体手指的工作空间,使其处于最佳抓取位置。建立手指的单腔室弯曲数学模型以... 详细信息

针对软体机械手抓取稳定性差等问题,设计一种由转换机构和软体手指等组成的变结构气动软体三指机械手。机械手可实现4种抓取模式,通过转换机构的结构变换改变软体手指的工作空间,使其处于最佳抓取位置。建立手指的单腔室弯曲数学模型以得出充气压力和弯曲角度的关系,采用有限元法分析各参数对腔室弯曲角度的影响,并对腔室结构进行优化;通过充气弯曲试验,验证了软体手指的良好性能;通过软体手指输出力测试获取输入气压和输出力的关系。制作样机并对8种物体进行抓取试验,结果表明:该机械手抓取稳定,能够实现对0~320 g范围内各种不规则及软硬度不同物体的无损抓取。

关键词：软体机械手气动变结构抓取

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气动软体机械手设计与性能研究

气动软体机械手设计与性能研究

作者：何淮洲江苏大学

学位级别：硕士

软体机器人自问世以来,就受到了广泛关注,近十年以来,得到了快速发展,目前已经成为最热门的研究领域之一,软体机器人主要分为仿生机器人和软体机械手两个部分。软体机械手由柔软材料制作而成,能够主动适应被抓取物体,但也导致了其负载... 详细信息

软体机器人自问世以来,就受到了广泛关注,近十年以来,得到了快速发展,目前已经成为最热门的研究领域之一,软体机器人主要分为仿生机器人和软体机械手两个部分。软体机械手由柔软材料制作而成,能够主动适应被抓取物体,但也导致了其负载能力低。本文基于快速气动网络结构(FPN),使用弹性模量较大的硅胶材料,通过对手指结构参数的优化,使得软体手不仅能够快速致动,还能承受较大的负载。首先通过对比四种常用的硅胶,选择Dragon Skin 30硅胶作为软体手指的制作材料,通过对比分析四种常用驱动方式和五种气体驱动结构选择快速气动网络结构作为软体手指的结构,进行了软体手的设计,软体手指与连接件通过U型槽过盈配合,可快速拆卸更换。此外根据力矩平衡关系建立了软体手指弯曲角度和加载气压之间的关系,根据常曲率原理得到了软体手指在弯曲角度为30°～180°下的弯曲状态。基于Yeoh模型,通过ABAQUS对软体手指的弯曲特性进行了有限元分析,得到了软体手指弯曲角度和加载气压之间的关系,然后研究了腔室长度、气囊宽度、气囊高度、侧壁厚度、外壁厚度、侧壁间距、应变限制层厚度、气囊个数等结构参数对软体手指的弯曲特性的影响,通过对比选出了最优结构参数,最后探究了软体手指的力学性能。采用模具浇筑法进行软体手指的制造,针对实验过程中遇到的浇筑困难问题,对模具进行了改进,采用了可溶芯铸造工艺,不仅能够解决浇筑困难问题,还能一体化制造软体手指,制造出的软体手指气密性好,能够承受较大气压而不破裂。打印出连接件和支撑架,最后将零部件组装成软体机械手。搭建软体手控制系统,对软体手指的弯曲特性和指端力进行了测试,将测试结果与通过ABAQUS模拟得到的结构对比,发现所得结果基本相同,说明本研究通过ABAQUS建立的模型具有比较高的精确度,为了解软体机械体手的抓取性能,使用3D打印机打印了不同直径的圆盘和圆球,加载不同气压,让软体机械手拉拽圆盘和圆球,记录下被抓物体脱离软体机械手过程中的最大抓取力,同时对日常物品进行抓取测试,结果表明软体机械手可以稳定抓取生活中常用的物品,能够主动适应被抓物体,实现无损抓取,具有较高的负载能力。

关键词：软体机械手快速气动网络结构设计可溶芯铸造有限元仿真

电热驱动人工肌肉可变刚度仿生软体机械手研究

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电热驱动人工肌肉可变刚度仿生软体机械手研究

作者：石强盛杰中北大学

学位级别：硕士

传统刚性机械手具有刚性较大、控制复杂、操作环境要求较高,环境适应性差、人机交互性不足等缺点,而软体机械手的出现则极大弥补了刚性机械手的不足之处。本文针对现有的技术做设计改进,研制了一种电热驱动人工肌肉且可变刚度的仿壁虎... 详细信息

传统刚性机械手具有刚性较大、控制复杂、操作环境要求较高,环境适应性差、人机交互性不足等缺点,而软体机械手的出现则极大弥补了刚性机械手的不足之处。本文针对现有的技术做设计改进,研制了一种电热驱动人工肌肉且可变刚度的仿壁虎软体机械手。机械手主体由坚韧的硅橡胶底座与三根相同的软手指组成,软体机械手的手指为分层结构并分别实现相应的功能,主要包括下层具有蘑菇状微结构的黏附薄膜、中间层可变刚度的热塑性聚氨酯弹性体薄膜以及上层作为驱动功能的人工肌肉,三层结构通过胶粘组合成型。针对手指各层结构的功能与机械手本体进行相关性能测试,结果如下:1)通过软光刻的方式制备了具有蘑菇状微结构模具,并通过浇筑的方式固化脱模后得到具有微结构的薄膜。设计制造了直径为10μm、20μm、30μm和40μm的蘑菇状微结构薄膜样品,光镜与电镜下均呈现较好的形貌。在最大黏附力与预紧力关系实验中二者基本呈现正相关的关系。实验结果显示直径20μm微结构薄膜样品在0.8 N预紧力下黏附效果最好。测试20μm微结构薄膜样品黏附力与时间、黏附力与薄膜变形量以及薄膜变形量与时间之间的关系实验中薄膜样品的最大黏附力与变形量均符合实验规律。在接触角实验中,各组薄膜样品的实验结果均高于没有结构的空白对照组,薄膜的疏水性有很大提高,对于提升薄膜的自清洁性以及防污防水性有一定效果。2)通过热压的方式制备了熔点为60℃的热塑性聚氨酯弹性体薄膜,并制备了用于动态热机械分析实验与拉伸实验的样品。在动态热机械分析实验中得到样品储能模量、损耗模量以及损耗角三项参数随温度变化的数据,其储能模量在初始温度19.89℃时为44.8405 MPa,结束时达到最小值0.42171 MPa;损耗模量在19.89℃时为2.0324 MPa,升温结束时达到最小值0.1268 MPa。实验从材料本身的性质反映了热塑性聚氨酯弹性体薄膜在温度升高时刚度减小,温度降低时刚度增大的特性。在拉伸实验中,得到6组不同温度下样品的应力应变曲线,并绘制了样品的弹性模量与温度之间关系的散点图,材料的弹性模量随温度的升高而降低,最后达到熔点60℃后弹性模量为0.00055 MPa并且不再变化,实验结果显示所选材料满足软体机械手工作过程中变刚度的功能需求。3)通过不同绘图软件设计手指的结构并通过3D打印制作手指模具。在模具中浇筑调配好的复合材料,室温固化成型后脱模得到驱动层人工肌肉。在探究石墨烯的含量与人工肌肉传热性能的关系实验中,制备了石墨烯含量不同的七组样品并在加热过程中记录各组样品的温度变化情况,实验结果表明样品的温升速率与最大温度都与石墨烯含量呈正相关,且含量越高,温升效果越明显。随后测量了各组样品的导热系数与热扩散系数,二者随石墨烯含量增加均有一定程度提升,实验结果也说明石墨烯的加入可以增加人工肌肉的传热能力并提高软体机械手的工作效率。4)将制备好的三层结构裁剪并胶粘,固化后得到完整的手指。对手指施加24.92 V电压进行弯曲测试,50 s时手指开始膨胀弯曲,75 s时弯曲效果明显且基本达到弯曲最大程度。在直流电源的加持下测试装配成型的软体机械手的抓握能力,分别抓取形状大小质量均不相同的三种物体,实验结果显示一定时间后,软体机械手三根手指开始膨胀弯曲,可以适应不同物体的外形轮廓并抓握起实验物体,在远离桌面的位置停留一定时间,冷却后手指形变恢复得以释放物体,手指各层结构均发挥各自作用协同运作,实验结果符合预期。

关键词：软体机械手壁虎仿生变刚度电热驱动

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基于深度强化学习的软体机械手目标抓取研究

基于深度强化学习的软体机械手目标抓取研究

作者：邱悦华南理工大学

学位级别：硕士

随着社会老龄化进程加速,服务型机器人的需求量大大增长。对于现有的机器人系统,在非结构化环境下自发学习如何对未知物体进行感知及稳定、安全的操作是一项具有挑战性的工作。针对这个问题,本文以日常场景中堆叠物体为抓取对象,围绕软... 详细信息

随着社会老龄化进程加速,服务型机器人的需求量大大增长。对于现有的机器人系统,在非结构化环境下自发学习如何对未知物体进行感知及稳定、安全的操作是一项具有挑战性的工作。针对这个问题,本文以日常场景中堆叠物体为抓取对象,围绕软体机械手的控制及对未知物体的分类、机器人对物体的感知及操作这些关键技术进行研究。本文主要包括以下几个方面的内容:(1)软体机械手抓取系统搭建与标定。首先,根据服务型机器人感知环境及操作物体的任务需求,搭建包括了机械臂、软体机械手、深度视觉传感器的机器人硬件平台。其次,基于智能机器人系统的实时通讯需求,搭建了以ROS(Robot Operating System)为主体,Python-urx库为控制机械臂的核心模块的通讯系统。实现了多传感器融合以及各部件协调统一,完成了整体通讯流程的测试。最后,对所搭建的机器人抓取系统进行标定。(2)基于力感知的软体手控制与物体预分类研究。首先,为了满足软体手机器人的任务需求,提出了基于ROS的软体机械手实时通讯方法。再次,基于配置于软体机械手手指的两个薄膜压力传感器,提出了软体机械手负反馈控制方法。最后,基于上述的通讯及控制方法,提出了基于聚类算法的软体机械手物体预分类方法,并进行了实验验证。(3)基于自监督学习的机器人推抓协作算法研究。首先,为了应对基于学习的机器人抓取方法存在的遗忘问题,提出了使用自监督非策略的深度强化学习方法,并且针对软体机械手的特点进行了强化学习Q函数建模,并在强化学习中加入软体机械手的传感信息作为反馈。其次,提出使用两个深度卷积网络计算强化学习的最优值。再次,针对服务型机器人的复杂操作任务如物体堆叠场景下的操作,讨论了推动物体和抓取物体两种操作方式及它们的协同使用,并基于此设计了三种动作策略。最后,对提出的自监督学习抓取算法及动作策略,在仿真环境下进行了模型训练及训练效果的对比。(4)软体机械手抓取综合实验研究。首先,结合软体机械手的负反馈控制方法及物体预分类方法,进行稳定抓取的实验验证。其次,对前面章节所提的基于自监督学习抓取算法及协同动作策略的模型,在仿真环境下进行评估及对比,分析该模型的性能。最后,按照前面所提的所有方法,设计了整套软体手机器人的实验流程。实验结果表明机器人能够在排列紧密的物体中执行推动动作,为抓取动作提供操作空间;也能够在抓取动作空间足够的情况下进行不同形状物体的抓取。表明了本文所提的抓取方法的可行性以及整体方法的泛化能力,且在真实环境下无需重新训练模型就能达到前述效果,说明了本文所提方法在有效的基础上能够节省成本,经济可行。

关键词：软体机械手控制深度强化学习抓取

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基于接触力学的蓝莓抓取软体机械手设计研究

基于接触力学的蓝莓抓取软体机械手设计研究

作者：陈京辉天津科技大学

学位级别：硕士

蓝莓的包装运输和抓取分级是生产过程中的重要环节,目前关于蓝莓在包装中由于堆叠造成的机械损伤还研究较少,而我国蓝莓分拣还是以人工为主。对蓝莓的力学特性展开研究,有利于减少蓝莓在包装,分级等过程中的机械损伤,蓝莓抓取的末端执... 详细信息

蓝莓的包装运输和抓取分级是生产过程中的重要环节,目前关于蓝莓在包装中由于堆叠造成的机械损伤还研究较少,而我国蓝莓分拣还是以人工为主。对蓝莓的力学特性展开研究,有利于减少蓝莓在包装,分级等过程中的机械损伤,蓝莓抓取的末端执行器是抓取过程中的关键部件,直接影响着蓝莓抓取过程能否顺利完成以及对蓝莓的损伤程度。本文就蓝莓的力学特性和软体机械手展开研究,设计了一款适用于蓝莓抓取的软体机械手。主要研究内容如下:蓝莓的力学特性研究。通过单个蓝莓压缩试验,获得了蓝莓的力学参数,弹性模量为0.225 MPa,泊松比为0.35,结合仿真和试验结果,验证了参数的准确性,为蓝莓的堆叠仿真提供了基础数据。蓝莓堆叠试验与仿真。选择了影响蓝莓堆叠损伤的三个重要因素,堆叠层数,加载速度和放置方向,以破裂力为响应指标设计了正交试验,试验结果表明,三个因素对蓝莓堆叠损伤均有显著影响,影响大小依次为放置方向,堆叠层数和加载速度,并建立三因素与响应之间的回归模型。利用ABAQUS软件对破裂力为最大和最小时的两种极端情况进行仿真,得到了在蓝莓堆叠过程中的应力分布情况,上层的蓝莓会受到更大的损伤,而下层的蓝莓受到的损伤较小,主要是由于上层的蓝莓吸收了大量的能量,具有一定的缓冲作用。软体机械手的设计。对气动软体机械手进行设计建模,并以指尖位移和指尖转角为响应指标,结合三个重要因素手指长度,壁厚和指节间距对弯曲性能的影响展开研究,设计了三因素三水平正交试验,并利用ABAQUS软件进行仿真。结果表明:三个因素对手指的指尖位移和指尖转角均有显著的影响,影响大小依次为手指长度,壁厚和指节间距,基于Yeoh模型,分别建立了因素与响应之间的回归模型,最终根据模型得到了弯曲性能最优时的因素取值,手指长度:70 mm,壁厚:2 mm,指节间距:1 mm。手指制作和试验台的搭建。根据手指的参数,完成相关模具的建模并利用3D打印技术进行制作,最终完成手指的注塑制作。搭建了蓝莓抓取试验台并实现了蓝莓无损抓取。

关键词：蓝莓堆叠损伤无损抓取软体机械手有限元理论