一種可模塊化組裝柔體機器人的柔性智能模塊化結構.pdf

1、傳統(tǒng)剛性機器人為了滿足機構硬度、運動精度和負載需求而采用電磁驅動器和剛性結構設計。與之不同的是，柔體機器人擁有多自由度的運動能力及完全柔軟的軀干。柔性機器人機體采用新型澆鑄工藝及柔性材料制作而成，如硅橡膠聚合物、高分子材料和聚氨酯等。此外，這類柔性材料對化學物質無反應性，可在極端、復雜環(huán)境下依然保持著高度完整性和穩(wěn)定性，因而，采用這類柔性材料制作的柔體機器人擁有著較高的靈活性、兼容性和適應能力。大部分的柔體機器人的驅動器是一種智能驅動模

2、塊，模仿某種或一類軟體生物的肌肉器官或靜水骨骼系統(tǒng)，一般由智能材料-如形狀記憶合金、電介質彈性體、電活性聚合物等-與柔性材料復合而成;在柔體機器人中，它們不僅僅作為驅動模塊，同時也是機器人的支撐結構即機器人的機體，這種緊湊體型賦予了柔體機器人在復雜環(huán)境和狹小空間下的可操作性和靈活性;此外，柔體機器人在與人類交互過程中有著很高的安全性，是在家庭和公共場所中理想的服務機器人平臺。目前為止，柔體機器人已被應用于復雜環(huán)境下的援助和搜救以及工業(yè)生

3、產、醫(yī)療領域等。
　　在過去的幾十年里，模塊化機器人是一種定義某種基礎構件能夠通過程序化組裝實現(xiàn)多種形態(tài)和功能的剛性機器人的術語。這類機器人的模塊化組件擁有獨立的控制單元和標準的通訊接口，即能夠獨立實現(xiàn)某些單一運動，也能夠在程序化組裝的機器人上實現(xiàn)復雜功能。事實上，模塊化概念可被廣泛地在大自然中觀察到，許多軟體生物擁有輻射對稱或雙邊對稱的結構，其對稱的軀干擁有完全相同的外形、功能以及獨立的神經單元，并通過中央控制器實現(xiàn)多軀干的耦合

4、以完成避障、捕食等復雜運動。再者，一些軟體動物如海星、章魚等可以再生受損或者截斷的腕足，這種再生能力激勵了人們設計一種低成本、擁有獨立功能的組件用來快速替換已損壞組件，以實現(xiàn)提高生產效率、節(jié)約維護成本。
　　本文圍繞模塊化、智能結構和柔性驅動器這三個概念，提出了一種基于形狀記憶合金絲驅動的柔性智能模塊化結構。所述柔性智能模塊化結構能夠實現(xiàn)高頻大幅度的往復運動，擁有智能化自反饋控制回路、獨立的能源單元以及標準的通訊單元。因此，基于柔

5、性智能模塊化結構，多種模式的柔體機器人能夠被組裝，比如輻射對稱、雙邊對稱機器人。以輻射對稱柔體機器人為例，深入探討了機器人在不同環(huán)境下的適應能力，并對其運動策略進行了針對性的研究，展現(xiàn)了模塊化組裝機器人的優(yōu)異性能。為了進一步拓展柔性智能模塊化結構的應用范圍，基于改進型模塊化結構-柔性手指模塊化結構，制作了一款逼真度極高的柔性靈巧手，進一步提高了所述柔性智能模塊化結構的可擴展性和應用前景。主要研究內容和成果如下:
　　(1)柔性智能

6、模塊化驅動器及其改進型、輻射對稱柔體機器人以及仿生靈巧手的仿生設計及澆鑄工藝探索。通過對肌肉組織、靜水骨骼的結構仿生研究，并融合了生物界中‘模塊化’概念，采用模具成型方法以及分層澆筑工藝，設計并制作了一種基于形狀記憶合金絲驅動的柔性復合驅動器-柔性智能模塊化結構。為了延緩/避免熱死寂現(xiàn)象在柔性智能模塊化結構長時間往復運動中的出現(xiàn)，通過對動物血管、植物水管網絡的結構和功能仿生研究，采用嵌入式微流管道設計及PDMS鍵合技術，提出了一種基于微

7、流管道水冷卻的柔性智能模塊化結構。此外，通過對人手肌肉、手骨的仿生研究，得到了人手不同手指的仿生尺寸。為了實現(xiàn)仿人手指動作的柔性驅動器，在人手結構和動作的仿生學指導下，提出了一款基于柔性智能模塊化結構的改進型-柔性仿生手指復合驅動器?；谌嵝灾悄苣K化結構及對輻射對稱動物的仿生研究，組裝了一種輻射對稱柔體機器人，并搭建集成化控制單元;通過對機器人外部增加貝形蒙皮，將其拓展為仿水母機器人?；谌嵝灾悄苣K化結構改進型-柔性仿生手指復合驅動

8、器，通過一體化模具澆鑄工具，制作了一款逼真度極高的柔性仿生靈巧手。
　　(2)柔性智能模塊化驅動器的運動學及熱動力學模型。柔性智能模塊化結構能夠實現(xiàn)往復大變形運動，其運動學無法采用現(xiàn)有D-H法進行建模。為此，基于修正的Brayan D-H法，建立了柔性智能模塊化結構的運動學模型，并在MATLAB實現(xiàn)了基于柔性智能模塊化結構的三足輻射對稱柔體機器人的運動學動態(tài)仿真。由于形狀記憶合金是通過電流加熱而發(fā)生相變，在柔性智能模塊化結構長時間

9、往復運動過程中，其運動能力（包括變形范圍，往復頻率）會隨著時間而逐漸變弱，直至進入熱死寂狀態(tài)。為了分析柔性智能模塊化結構的瞬態(tài)導熱過程及熱傳導規(guī)律，基于有限段離散的集總參數(shù)模型、熱交換及熱對流理論，在MATLAB平臺上建立了柔性智能模塊化的熱動力學模型，并同過實驗-仿真對比驗證了模型的有效性和準確性。
　　(3)柔性智能模塊化結構的自反饋控制系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)高頻往復運動實現(xiàn)及其截止頻率分析。形狀記憶合金電阻值在相變過程中會發(fā)生有規(guī)律且重

10、復度高的波動變化，基于這一電學特性，建立了基于形狀記憶合金絲電阻率的自反饋控制系統(tǒng)，自反饋系統(tǒng)的控制參數(shù)能夠實時依據(jù)采樣信號校準，因而能夠避免供電壓不穩(wěn)定對的干擾?；谧苑答伩刂葡到y(tǒng)，能夠實現(xiàn)兩個功能:一是實現(xiàn)模塊化結構往復運動過程中的幅度控制-通過給定不同的控制參數(shù)，可實現(xiàn)柔性智能模塊化結構的變形幅度控制;二是實現(xiàn)模塊化結構的自適應加熱，自適應加熱策略是一種能夠在形狀記憶合金達到相變溫度后自動停止加熱。采用自適應加熱策略能夠有效地延緩

11、模塊化結構的熱死寂現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高了柔性智能模塊化驅動器的工作時間，然而其在能力上依然有很大的不足;為此，將微流管道結構設計加入到柔性智能模塊化結構中，并通過水冷進行疏導傳熱，可在采用自適應加熱策略的基礎上，大大提高柔性智能模塊化結構的工作時間，并實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高頻往復運動。引入了往復運動截止頻率概念-給定運動頻率下，柔性智能模塊化結構的變形幅度率（歸一化幅度），并以0.707倍最大變形幅度所對應的運動頻率為截止頻率，用于表達柔性智能模塊化結

12、構的工作能力及分析其在不同策略和結構下的性能對比。此外，還對柔性智能模塊化結構的變形能力與結構中兩個參數(shù)之間關系進行了分析，并總結出其變化規(guī)律。
　　(4)輻射對稱柔體機器人的多功能運動及其控制策略研究。基于柔性智能模塊化結構，搭建了五足輻射對稱柔性仿生機器人平臺，用于實現(xiàn)多介質環(huán)境下的多種功能。首先，基于海星的仿生步態(tài)，研究了機器人在平坦地面上運動速度與步態(tài)參數(shù)之間的關系，并得到最優(yōu)步態(tài)參數(shù)組，實現(xiàn)了機器人在平坦地面上快速高效運

13、動。其次，將機器人平臺與機械臂組裝成為操作平臺，并提出了基于自適應加熱策略下的保持抓握狀態(tài)的自適應-PWM加熱策略，實現(xiàn)了機器人對復雜表面對象、易碎物品的抓握能力，在高負載下模擬了實際流水線下抓取-運送-釋放過程。再者，研究了小型化三足輻射對稱機器人的爆發(fā)力測試，實現(xiàn)了機器人的跳躍步態(tài);機器人在不同的足運動時序輸入及加熱時間下，能夠實現(xiàn)跳躍高度和方向的控制。最后，通過在五足輻射對稱機器人加上一層蒙皮，使其成為仿水母機器人，并探討其在水下

14、射流推進機理。
　　(5)仿生靈巧手的設計及工藝、分析及其人機交互控制策略?；趯θ耸纸Y構、運動的仿生研究，改進了柔性智能模塊化結構，使其成為一種柔性手指模塊化結構。基于模具澆鑄技術，探討了仿生靈巧手系統(tǒng)的制作工藝，成功試制了多款靈巧手樣機，分析了仿生靈巧手手指的運動原理及其工作能力。搭建了基于肌電信號的仿人靈巧手人機交互控制系統(tǒng)，通過肌電采集提取人手指動作信號，并進行模式識別發(fā)出相應的指令傳達給靈巧手系統(tǒng)，從而實現(xiàn)仿生靈巧手的人