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面向环境交互的智能软体爬行机器人的设计与实验研究

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面向环境交互的智能软体爬行机器人的设计与实验研究

作者：杨梦柯苏州大学

学位级别：硕士

随着机器人技术的不断发展,传统刚性机器人所具有的刚性链接和本体结构,极大的限制了传统机器人与环境直接动态交互的能力。近年来,软体机器人已成为机器人研究领域的热点之一,受生物启发的软体爬行机器人因其具有完成各种复杂环境任务... 详细信息

随着机器人技术的不断发展,传统刚性机器人所具有的刚性链接和本体结构,极大的限制了传统机器人与环境直接动态交互的能力。近年来,软体机器人已成为机器人研究领域的热点之一,受生物启发的软体爬行机器人因其具有完成各种复杂环境任务的能力,而受到越来越多的关注。在与复杂环境的交互过程中,软体爬行机器人与刚性结构机器人相比,具有自由度高、对复杂环境的适应性强、人机交互安全性高等优势,因此有必要对面向环境交互的智能软体爬行机器人进行深入的研究。本文设计制造了面向环境交互的智能软体爬行机器人系统,主要研究内容包括:1)智能软体爬行机器人的设计与制造;2)软体爬行机器人的数学建模与流固耦合仿真;3)软体爬行机器人与环境交互系统的设计;4)软体爬行机器人驱动控制平台搭建与环境交互实验研究。本文模拟蚯蚓的运动方式设计了软体爬行机器人本体,将本体、柔性弯曲传感器、红外数字避障传感器和ORB-SLAM算法框架结合起来,使软体爬行机器人可以智能化的通过迷宫通道,完成封闭环境下的环境建图功能,得到精确的地图信息,完成与环境的交互。本文具体研究内容如下:(1)软体爬行机器人的设计与制造针对软体爬行机器人的运动需求与柔性材料承载能力低的问题,设计了纤维增强式的双腔柔性致动器和正压锚定式的吸附致动器,通过高精度3D打印机制造模具浇注制造致动器。双腔柔性致动器内部嵌入凯夫拉纤维线以限制其径向变形同时增强刚度,切换单双腔的充气状态,致动器可精准的完成弯曲和伸长动作以模仿动物的运动形式;吸附致动器灵感来源于章鱼吸盘,由双层结构组成,顶部含有嵌入式螺旋气动通道,正压驱动后顶部膨胀为3D圆顶结构,带动基底薄膜变形以在底部内腔形成负压,吸附锚定在平面上。将制造完成的双腔柔性致动器与吸附致动器结合形成完整的软体爬行机器人本体。(2)软体爬行机器人的建模与仿真为了验证设计的合理性,说明设计的软体爬行机器人本体能够满足其与环境交互的运动需求,采用分段常曲率模型为软体爬行机器人躯干部位的双腔柔性致动器建立单腔加压径向纤维约束数学模型,根据致动器设计参数的几何关系建立双腔等压数学模型;采用简化的近似双层模型为软体爬行机器人首尾部位的粘附致动器建立双层3D圆顶结构数学模型。运用Abaqus仿真软件,通过流固耦合仿真分析研究设计的致动器在不同参数特性下的变形应力云图,验证了双腔柔性致动器内部嵌入凯夫拉纤维线,粘附致动器上层嵌入螺旋通道结构的合理性,以及制造建模的准确性。(3)软体爬行机器人的环境交互系统针对软体爬行机器人与环境之间交互的需求,设计了基于敏感栅结构的柔性弯曲传感器用来实时监测机器人躯干的弯曲角度,创新性的采用磁性印刷法的工艺制造,完成传感器的性能测试,验证了传感器适用于实时检测反馈软体爬行机器人躯干的弯曲角度,并通过传感电路将传感器的电阻信号转变为可供控制板识别的数字信号。选用W503-13红外数字避障传感器配合柔性弯曲传感器,实现机器人自主避障功能,搭建硬件平台对避障传感器进行数据标定,固定探测距离来探测目标的反射率对探测效果的影响。研究特征点法ORB-SLAM的框架,使用张正友棋盘格标定法对无线单目相机进行标定,为后续利用SLAM进行环境建图提供支持。(4)软体爬行机器人的环境交互实验研究针对软体机器人的驱动需求,为软体机器人的爬行设计了基于Arduino开发板的气动控制平台,将柔性弯曲传感器、红外数字避障传感器结合起来,使软体机器人在密闭环境中可以智能化的自主完成爬行运动,实现避障功能,爬行完毕后再通过无线单目摄像头拍摄的视频利用ORB-SLAM算法框架获得环境地图的基本结构,以Labview、NI数据采集卡为基础,编制数据采集与显示程序,结合Labview数据采集平台实时采集到的传感器信息与机器人的爬行速度等信息,获得环境地图的精确尺寸以完成对封闭地图的重建,所建地图与实际环境尺寸误差小于10mm,验证了软体爬行机器人具有与密闭环境交互的能力。

关键词：软体爬行机器人软体建模与仿真柔性传感器环境交互

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高频振动软体爬行机器人的设计与实验研究

高频振动软体爬行机器人的设计与实验研究

作者：孙敏洁武汉理工大学

学位级别：硕士

爬行机器人对于替代人类在危险的环境中作业具有重要意义,刚性爬行机器人普遍存在体积大、刚度大以及噪音大等缺点。而软体爬行机器人相对于刚性机器人具有天然的优势,即与自然环境和人类具有更好的交互性。目前软体爬行机器人的研究成... 详细信息

爬行机器人对于替代人类在危险的环境中作业具有重要意义,刚性爬行机器人普遍存在体积大、刚度大以及噪音大等缺点。而软体爬行机器人相对于刚性机器人具有天然的优势,即与自然环境和人类具有更好的交互性。目前软体爬行机器人的研究成果越来越多,但是还存在爬行速度慢、稳定性不高以及功能化应用潜力不大等问题。因此,提高软体爬行机器人自身运动性能以及功能应用前景对于机器人的研究具有重要意义。本文首先制作了一款结构简单、成本低的软体爬行机器人,该机器人组件包括弹性合金、背板和电机驱动器。而后通过改变机器人驱动频率、刚毛长度和刚度等参数测试了软体机器人的运动速度、负载自重比以及爬坡性能,其最快运动速度为123.1 mm/s、最大负载自重比为10.8和最大爬行坡度为18°。同时探究了机器人的运动机理,通过分析机器人的受力情况,建立其动力学模型。模型仿真得到的机器人的运动速度、重心位置以及刚毛运动规律和实验结果具有较好的吻合性,验证了模型的准确性。为了实现软体爬行机器人的功能化应用,本文基于机器人模型设计并制作了一款能够穿过窄缝轨道的软体爬行机器人,该机器人具有较高的运动速度以及较强的负载能力。制备柔性应变传感器并贴附在机器人柔性电路板(FPC)的表面,完成了不同窄缝模型的形状测量与重构,因此该机器人对复杂未知环境的勘探具有广阔的应用前景。

关键词：软体爬行机器人动力学模型形状重构

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软体爬行机器人运动及结构特性研究

软体爬行机器人运动及结构特性研究

作者：王雪峰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本课题以软体爬行机器人为研究对象,主要针对软体爬行机器人结构、制作工艺、材料特性、摩擦特性、动态响应特性和应力应变特性进行研究,以四足X型机器人为主要研究对象,并根据四足X型机器人存在的问题,提出了六足微气囊型机器人,试图... 详细信息

本课题以软体爬行机器人为研究对象,主要针对软体爬行机器人结构、制作工艺、材料特性、摩擦特性、动态响应特性和应力应变特性进行研究,以四足X型机器人为主要研究对象,并根据四足X型机器人存在的问题,提出了六足微气囊型机器人,试图改善软体爬行机器人的性能。通过硅橡胶结构的设计,使得硅橡胶躯体的各部位弹性模量不同,在气腔内充入高压气体的过程中,实现软体机器人躯干的定向弯曲,从而实现爬行、蠕动等动作。通过静态特性实验和动态响应实验,分析四足X型机器人的特性。并结合有限元仿真,对四足X型机器人进行分析。在实验过程中,发现存在机器人局部结构特性变软现象,这种硅胶损伤机理被称为Mullins效应,该效应的存在导致软体机器人的特性发生显著的变化,仿真结果与实验结果出入较大。采用在仿真过程中引入Mullins本构模型的方法,可以很好地改善仿真结果与实验结果的匹配程度。并针对Mullins效应给软体机器人带来的问题,提出应对策略。软体爬行机器人向前运动的受力来源是与地面的摩擦力,依据现有橡胶摩擦理论,建立摩擦力的数学模型,分析软体爬行机器人本体采用的超弹性体的摩擦产生原因和控制方法,从而进一步指导软体爬行机器人的步态规划,使得运动效率更高。主要通过对软体爬行机器人步态规划和摩擦特性进行研究,针对在不同路面上运动情况不同的现象,分析产生运动效果差异化的原因。四足X型机器人存在一些问题和不足,为解决存在的问题,提出了六足微气囊型软体机器人,六足微气囊机器人的制作工艺上首次采用了液态金属内芯成型工艺,可以有效解决四足X型机器人的工艺存在的缺陷。步态规划上与四足机器人差异较大,可提高机器人的运动效率。本课题进行基于气压驱动原理的新型柔性机器人结构特性和运动特性的研究,为气动柔性软体机器人提供技术基础和支持。以爬行机器人本体为研究对象,研究的首要内容是分析气动软体爬虫机器人的运动机理和结构特性。

关键词：软体爬行机器人摩擦机理步态规划 Mullins效应

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三足软体爬行机器人设计与研究

大连理工大学学报 2022年第6期62卷 633-640页

作者：陈涛唐斌张平大连理工大学能源与动力学院辽宁大连116024

设计了一种三足软体爬行机器人,完成了机器人的直线、转向和路径规划运动实验研究.该软体爬行机器人采用了模块化设计,躯干和腿由硅胶和3D打印材料结合制造而成,便于组装和维护.软体爬行机器人前后腿的末端分别固定有摩擦滑块,用以辅助... 详细信息

设计了一种三足软体爬行机器人,完成了机器人的直线、转向和路径规划运动实验研究.该软体爬行机器人采用了模块化设计,躯干和腿由硅胶和3D打印材料结合制造而成,便于组装和维护.软体爬行机器人前后腿的末端分别固定有摩擦滑块,用以辅助运动.软体爬行机器人采用电机-线缆驱动方式,通过对驱动电机的控制器编程,控制3个驱动电机协同工作来实现不同的运动形式,进行了直线爬行、转向运动和路径规划实验.实验结果证明,所提出的三足软体爬行机器人具备连续爬行和切换运动模式的复杂运动功能.

关键词：软体爬行机器人线缆驱动 3D打印转向路径规划

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一种预弯曲单稳态气动软体驱动器研究

一种预弯曲单稳态气动软体驱动器研究

作者：谭暾旭南京理工大学

学位级别：硕士

驱动器是机器人结构中的关键组成部分,而软体驱动器是人们通过不断的对自然界中软体生物进行学习、模仿其柔顺特性而研制出来的一种具备无污染、高环境适应性和人机相互安全等特点的新型驱动器,能够完成一些在特殊的环境下的任务,具有... 详细信息

驱动器是机器人结构中的关键组成部分,而软体驱动器是人们通过不断的对自然界中软体生物进行学习、模仿其柔顺特性而研制出来的一种具备无污染、高环境适应性和人机相互安全等特点的新型驱动器,能够完成一些在特殊的环境下的任务,具有广阔的应用前景。本文以多腔室驱动器中的快速气动网格结构为基础,针对目前多腔室驱动器存在的运动变形单一,响应速度慢、消耗功率高等问题,设计了一种基于储能机制的预弯曲单稳态软体驱动器,从驱动器材料、结构、预测理论模型、仿真分析、运动特性以及驱动器的实际应用等方面展开了研究,具体如下:首先对硅橡胶材料建立了Yeoh超弹性本构模型,并基于单轴拉伸试验确定了硅橡胶材料本构模型的材料参数;根据硅橡胶材料的变形特点,基于多腔室驱动器结构与预拉伸原理设计了一种双斜腔室对称布置的预弯曲单稳态驱动器,并确定了影响驱动器变形的两个主要参数:腔室偏斜角和拉伸率;然后对单稳态结构和储能机制进行了描述。然后对所提出的预弯曲单稳态驱动器建立了预弯曲角数学预测模型,对影响驱动器变形特性的腔室偏斜角和拉伸率两个主要参数,引起预弯曲的残余应力以及驱动器的储能变化进行了仿真分析,结果表明:(1)驱动器可以将弯曲与弯扭运动解耦,可在一个驱动器上实现弯曲和弯扭变形运动;(2)驱动器在初始状态下内部能量不为零,说明驱动器具有储能功能。其次制作了驱动器的实物样机,并进行了实验研究,结果表明:(1)针对驱动器的变形特性,仿真和试验结果基本符合;(2)拉伸率越大的驱动器末端输出力越大;(3)充放气频率一定时,驱动器的弯曲角增量在减小,随拉伸率的增大驱动器弯曲角增量在增大。最后对该驱动器进行了两种实际应用研究。(1)通过仿生瘿蚊幼虫制作了一种快速爬行且能转向的软体机器人,通过施加不同充放气频率,对比了三种拉伸率的机器人的爬行运动特性,其中在2Hz下可达到稳定和最大速率,其中15%拉伸率的驱动器表现最优,直线爬行速度和体长速度分别为70.1mm/s和0.64BL/s,转向速度为0.2rad/s;(2)制作了一种节能软体夹持器,可在初始状态下保持夹持,驱动下可继续夹持更重的物体;对夹持器进行了负载能力试验,在零气压驱动下和80k Pa气压驱动下,分别对球形和圆柱形基准物进行负载试验,其中对球形基准物夹持效果最好,夹持质量分别为198.5g和759.3g,负载比分别为1.5和5.75;对多种不同形状、尺寸、材质的物体进行了夹持试验,结果表明:与其他节能夹持器相比,本文所研究的软体夹持器具有对多种加持对象的适应性,且可实现加压后继续夹持的动作,保证了更大质量物体的稳定抓取。

关键词：预弯曲角气动软体驱动器软体爬行机器人软体夹持器

基于折纸结构的气动软体机器人设计、建模与实验

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基于折纸结构的气动软体机器人设计、建模与实验

作者：林茂虎江西理工大学

学位级别：硕士

软体机器人以其较强的灵活性、更大的自由度等特点,在医疗、探测、救援等领域得到了广泛关注。与传统的刚性机器人相比,软体机器人可以通过主动变形改换不同的形态,使其具有更强的环境适应性;能够较好地模拟自然界生物的运动,进入许多... 详细信息

软体机器人以其较强的灵活性、更大的自由度等特点,在医疗、探测、救援等领域得到了广泛关注。与传统的刚性机器人相比,软体机器人可以通过主动变形改换不同的形态,使其具有更强的环境适应性;能够较好地模拟自然界生物的运动,进入许多人类所无法探索的环境中。气压驱动作为软体机器人重要驱动方式之一,气动软体驱动器的研究一直受到了广大研究人员的青睐。但是,现有的气动软体驱动器种类较少,且部分驱动器存在制作工艺复杂、驱动性能一般、负载小、控制要求高等问题。针对上述问题,利用折纸结构大折展比、快速变换的特点设计了一种基于折纸结构的气动软体驱动器,并采用驱动器研制了两款新型软体机器人。主要内容如下:为了提高气动软体驱动器的驱动性能,利用折纸结构大折展比的特点,将折纸结构应用于驱动器的应变层设计当中,使应变层具有折展拉伸和超弹性拉伸两种拉伸状态,从而提高应变层的拉伸量。给出了基于折纸结构的气动软体驱动器设计与制备方法,对应变层的应力应变关系与驱动器的几何变形进行了分析,分析表明,驱动器的弯曲角度与应变层的伸长量呈正比关系,说明将折纸结构作为应变层可以提高驱动器的弯曲性能。为了分析驱动器的驱动性能以及其结构参数对驱动器驱动性能的影响,建立了折纸型气动软体驱动器的力学模型与运动学模型,得出了驱动器末端输出力、弯曲角度与输入气压之间的关系,利用模型分析了驱动器的末端点位置、驱动器姿态,搭建实验平台测试了驱动器在不同气压下的末端输出力与弯曲角度。实验结果表明,驱动器末端输出力与输入气压的关系可近似为线性关系,在输入气压为0.1Mpa时,末端输出力可达9N;驱动器的弯曲角度与输入气压之间的关系近似为线性分段函数,输入气压为0.05Mpa时,弯曲角度可达250度,说明所建立模型具有较好地准确性。利用折纸型气动软体驱动器设计了一种气动软体抓手,并实现其自动抓取功能。该软体抓手由四个折纸型软体驱动器以及一个夹具构成,在气压作用下四个驱动器同时弯曲即可抓取目标。将软体抓手搭载在机械臂末端进行实验测试,实验结果表明:在抓握力实验中,输入气压为0.1Mpa时,最大抓握力为11.9N;在移动抓取实验中,可以对重量不超过2kg物体的物体稳定抓取,重量在2.5kg物体的适应性抓取,说明了所设计的软体抓手具有较好的抓取性能。利用激光矩阵定位技术设计了自动抓取方案,软体抓手可以实现对水杯、梨、火龙果、香蕉和豆腐等大小各异、表面复杂、硬度不同的物体的自动抓取功能,说明了自动抓取方案具有一定优越性。利用折纸型气动软体驱动器仿尺蠖运动规律设计了一种新型软体爬行机器人。该机器人由躯干和足部构成,利用驱动器模拟躯干的弯曲运动和前后足摩擦力差值的设计实现爬行运动。结合驱动器的运动学模型推导出机器人的步距与输入气压之间的关系,给出了运动控制参数并进行了运动实验。实验结果表明,软体爬行机器人在给定条件下单个周期的运动距离25.1mm,平均运动速度为13.9mm/s,说明了软体爬行机器人仿尺蠖爬行的可行性以及软体爬行机器人具有较好的快速爬行能力。

关键词：折纸结构软体驱动器软体抓手软体爬行机器人

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气动网格软体驱动器内部压力分析与应用

气动网格软体驱动器内部压力分析与应用

作者：肖承坤江西理工大学

学位级别：硕士

气动软体驱动器由于安全性高、环境适应能力强、无污染的特点,已成为软体机器人使用最为广泛的驱动器之一,在空间探索、搜救系统、仿生学、医学手术和康复等领域都有较高的应用潜力。现有关于软体驱动器的研究集中于建立运动学模型对驱... 详细信息

气动软体驱动器由于安全性高、环境适应能力强、无污染的特点,已成为软体机器人使用最为广泛的驱动器之一,在空间探索、搜救系统、仿生学、医学手术和康复等领域都有较高的应用潜力。现有关于软体驱动器的研究集中于建立运动学模型对驱动器的运动进行预测,没有考虑驱动器运动过程中内部压力的变化。为了探究驱动器运动过程中内部压力的变化,将驱动器简化为弹性圆管推导了其内部气体流动的控制方程,分析了不同结构参数下的驱动器内部压力变化对运动的影响。主要内容如下:为了探究驱动器内部压力的变化对其运动的影响,将驱动器简化为弹性圆管推导了驱动器内部气体流动的控制方程,通过求解控制方程得到了驱动器内部的压力变化,结果表明,驱动器内部的压力分布不均匀,并且靠近入口处的压力瞬时增大,沿着流向方向逐渐减小,内部压力随着充气时间逐渐上升并达到稳定状态。分析了在该压力变化下驱动器的运动,分析结果表明,内部压力的动态变化将影响驱动器的弯曲运动,并且在驱动器弯曲运动过程中存在明显的延迟现象。为了探究在不同结构参数下的驱动器内部压力变化对运动的影响,对不同管道半径以及管道长度的驱动器内部压力变化进行了分析,分析结果表明当加压气体通过较大管径时,驱动器内部的压力上升速度快,但是当加压气体通过较小的管道时,其内部粘性阻力急剧增加,将阻碍气体在管道内的流动,内部压力上升速度减慢,并且分析了不同的压力变化下对驱动器运动的影响。制作驱动器样机进行验证实验,实验结果表明,驱动器完成运动所需的时间与管道半径成反比,与管道长度成正比,其中管道半径为主要影响因素。利用驱动器管道半径越小,驱动器运动速度越慢的特性,设计了一种仿手指三关节软体驱动器。通过调节驱动器内部管道的半径,延迟各个关节内压力达到稳定的时间,实现了三个关节的顺序弯曲运动。实验表明,顺序弯曲能够提高软体驱动器的适应性,降低软体驱动器的末端输出力。利用三关节软体驱动器,制备了一个能够在单输入源作用下实现各手指顺序弯曲的软体手。利用驱动器末端力降低和顺序弯曲的特点,实现了对柔软物体(面包)的无损稳定抓取。对比了在不同频率的气压下软体驱动器的弯曲运动,发现随着频率的升高,驱动器的弯曲运动角度也随之减小,当频率在5.0Hz以上时,驱动器的弯曲运动的角度非常小,并以极快的速度在该频率下进行振动。分析了管道半径大小的影响,在相同频率的气压下,在频率小于2Hz时,大管径弯曲速度快;在频率大于2Hz时,小管径弯曲速度快。利用该特性设计了一种软体爬行机器人,在输入气压为50k Pa和频率为1Hz时,体长80mm、管径为0.5mm的机器人的爬行100mm只需7.1s,实验表明可以通过改变输入气压的频率提高机器人爬行的速度。

关键词：气动软体驱动器压力变化弯曲延迟三关节软体驱动器软体爬行机器人