近年来,软体机器人因其主体采用软材料而逐步成为机器人领域的研究热点之一,其对复杂环境的高适应性以及与物体之间的友好交互使其被应用于多个领域,由于气体驱动具有安全和控制方便的特点,已逐渐成为软体机器人常用的驱动方式。软体致动器作为软体机器人的核心单元,其运动形式普遍较为单一,通常将多个致动器进行组合以获取不同形式的运动,但这会使致动器的结构变得复杂,难以对其运动位置展开精确控制。针对以上问题,本研究提出一种弯扭一体的气动软体致动器,并对致动器的结构设计、尺寸优化、制备工艺、性能分析和应用等方面进行了研究。
首先,针对弯曲和扭转运动相结合时存在的结构和制备复杂等问题,提出一种一体化弯扭致动器的设计思路。基于不同模块的功能需求且保证各模块在工作时互不干涉,从而确定出致动器弯曲模块和扭转模块的结构方案。分别建立简化后弯曲模块和扭转模块的运动学模型,找出弯曲模块和扭转模块中对输出性能起重要影响的结构参数。同时,采用Ansys有限元分析软件分别对影响弯曲和扭转模块输出性能的重要结构参数进行正交优化试验,确定出各个模块中较优的结构参数尺寸。将优化后的弯曲和扭转模块相结合组成弯扭一体的致动器结构,并对该弯扭致动器的运动姿态进行分析。
其次,根据所设计弯扭致动器各模块互不干涉的结构特点,提出一种分腔体独立成型的制备工艺,分别设计出弯曲和扭转模块的独立浇筑模具,选择型号为E630的硅胶进行弯扭致动器的制备。此外,设计并搭建出弯扭致动器的输出性能实验测试平台,分别对其弯曲角度、末端输出力、扭转角度以及扭矩等输出性能进行测试,发现实验数据与仿真数据较为吻合,该弯扭致动器在60 k Pa气压下可达到187±5°的平均弯曲角度和1.314±0.06 N的平均末端输出力;同时,在36 k Pa气压下可达到195±4°的平均扭转角度和0.0923±0.0013 N·m的平均输出扭矩。通过与相关文献报道相比,该致动器同时具备纯弯曲和纯扭转两种不同的运动方式,并且具有较大的弯曲和扭转角度。
最后,针对弯扭致动器的运动特点设计并制作了一种多功能软体抓手和多自由度软体机械臂。对软体抓手进行了一系列抓取实验,经测试其抓取尺寸从22 mm的芯片到220 mm的自热火锅都能成功抓起,其在65.4 k Pa气压下可达到1500 g的最大抓取重量,此外该抓手还可以拧开不同大小的桶盖,验证了该抓手的抓握多样性和实用性。同时,对该软体机械臂进行轨迹规划控制其在纸上进行写字,并采用有限元分析对软体机械臂在空间中的运动进行相应的轨迹分析,验证了软体机械臂在空间中多姿态运动的可行性,仿真与实验结果的对比表明所设计软体机械臂的运动准确性。
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