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基于3D打印的磁链增强弹性体软体机器人设计

基于3D打印的磁链增强弹性体软体机器人设计

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作者：刘雅婷北方工业大学

学位级别：硕士

软体机器人作为一种由柔性材料制备而成的具有灵活变形能力的机器人,已成为现阶段机器人研究领域的热点之一。相较于传统的刚性机器人,软体机器人凭借其出色的柔韧性和卓越的适应性,可以适应不同环境下的工作任务,并在医疗、救援、制造... 详细信息

软体机器人作为一种由柔性材料制备而成的具有灵活变形能力的机器人,已成为现阶段机器人研究领域的热点之一。相较于传统的刚性机器人,软体机器人凭借其出色的柔韧性和卓越的适应性,可以适应不同环境下的工作任务,并在医疗、救援、制造等领域广泛应用。软体机械手是软体机器人领域中成果较为丰硕的一个分支。然而基于柔性材料(弹性模量弯曲难以完成抓取任务。若软体机械手的共形适应性满足条件则会限制机械手的承载能力,当需要夹持较大或较重物体时,软体机械手可能无法提供足够的刚性和强度来支撑和固定物体,导致其无法抓取物品或抓取物品易脱落。因此在设计软体机械手时需要综合考虑共形适应性和夹持承载能力之间的平衡。本文受“巴克球玩具”中磁链弹性的启发,结合3D打印技术,通过磁链之间的磁力与弹性体弹性力的相互耦合使结构产生非对称的弯曲效应,设计制备了一种基于磁链增强弹性体的软体手指,进而制备了两款轻量化、低成本、可重构的软体机械手,用于农业生产、工业生产及小商品销售等领域中弱刚性、不规则、易碎物品的自适应采摘、抓取或分拣。首先研究了磁链的磁弹性特性,进而将磁链与弹性体的耦合结构等效为磁链与弹性杆的复合梁结构,分析推导耦合结构的弯曲刚度公式。通过对其弯曲刚度公式分析,可知磁链与弹性体耦合结构的主要影响因素为磁球间距、磁球数量、磁球磁力矩以及弹性体厚度。通过理论、仿真和实验相互验证,对比分析不同影响因素对耦合结构弯曲刚度影响趋势。根据实际需求,获得耦合结构最优的弹性体的尺寸和磁球部署方式,并设计制作了软体机械手手指。基于优化设计的软体手指结构,分别制作出了一款三指软体机械手和一款五指软体机械手,并对选取的18种不规则物体进行了抓握实验,结果表明所设计的基于磁链增强的软体机械手具有较好的共形适应性和夹持承载能力。

关键词：软体机器人软体机械手复合梁弯曲刚度磁球

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