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一种变刚度柔性手爪设计及其性能研究

一种变刚度柔性手爪设计及其性能研究

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作者：刘庚西安理工大学

学位级别：硕士

柔性手爪作为软体机器人的末端执行器,对于软体机器人的发展具有重要意义。与传统的刚性手爪相比,柔性手爪采用轻质柔软的弹性材料构成,具有柔性接触、适应性强、控制简单等特点,适用于对柔软易碎、轮廓复杂物体的抓取。然而过分的追求... 详细信息

柔性手爪作为软体机器人的末端执行器,对于软体机器人的发展具有重要意义。与传统的刚性手爪相比,柔性手爪采用轻质柔软的弹性材料构成,具有柔性接触、适应性强、控制简单等特点,适用于对柔软易碎、轮廓复杂物体的抓取。然而过分的追求手爪的柔性,导致其刚度缺陷日益凸显,柔性的提高虽然能够提高手爪的环境适应性与运动灵活性,但会导致手爪控制精度和抓取力的下降。本文设计并制作了一种基于纤维堵塞原理的变刚度柔性手爪,并对其驱动器性能、刚度调节机理、抓取性能展开研究。主要工作内容如下:对变刚度柔性手爪的柔性弯曲驱动器展开研究,基于超弹性本构模型分别建立了柔性弯曲驱动器的数学模型和有限元模型,得到了不同气压载荷下驱动器的弯曲角度以及末端输出力之间的关系;通过有限元分析确定了驱动器的结构参数。搭建实验平台对柔性弯曲驱动器进行性能测试,验证了驱动器数学模型及有限元模型的正确性。基于rve法（代表性体积元）,提出了变刚度外套中纤维介质堵塞现象的分析方法。结合rve法中周期性边界条件以及载荷的施加方式,建立了 RVE单元的有限元模型,得到了不同载荷下RVE单元的应力分布以及变形情况,仿真结果表明,通过增大纤维表面摩擦力与增大负压载荷,均可以提高RVE单元的抵抗变形能力,提升变刚度外套的刚度;利用变刚度外套实现了驱动器不等曲率弯曲变形,并且建立了相应的数学模型,得到了驱动器弯曲角度与气压载荷的关系。搭建实验平台,对变刚度柔性手爪的抓取性能以及刚度调节能力展开研究,结果表明,通过调节负压载荷,可以实现柔性手爪的刚度调节,在最大负压下,柔性手爪的抓取能力提升了 2倍左右,达到了预期的设计目标。

关键词：柔性手爪变刚度纤维堵塞 RVE单元

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