软体弯曲驱动器设计与建模.pdf

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1、2017年5月第43卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMav2017V01．43No．5http：ffbhxb．buaa．edu．cn、buaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2016．0364软体弯曲驱动器设计与建模王华1，康荣杰1’+，王兴坚2，戴建生1’3(1．天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津300072；2．北京航空航天大学自动化科学与电气工程

2、学院，北京100083；3．伦敦大学国王学院机器人研究中心，伦敦WC2R2LS)摘要：与传统的“刚性”机器人相比，基于仿生学启发的软体机器人由于其与生俱来的柔顺性和安全性受到广泛关注。然而，此类软体机器人驱动器的设计与控制目前仍缺少理论指导。针对这些问题，设计了一种由气压驱动的可实现弯曲运动的新型软体驱动器，在系统分析其结构和弯曲原理的基础上，利用几何方法和虚功原理建立了其数学模型，并且通过有限元模型和原理样机实验验证了数学模型的有效性，为软体机器人驱动器的优化设计和控制提供了依据。关键词：软体驱动器；气压驱动；弯

3、曲变形；数学模型；有限元分析中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)05—1053-08传统意义上的离散型机器人⋯，由于自身的刚性连杆结构，虽然精度较高，但自由度数量有限，与环境相互作用的能力较差，安全性较低口⋯。而软体机器人模仿自然界中软体生物结构，如章鱼触手、哺乳动物舌头等，既可以灵活柔顺地改变自身形状，实现弯曲、收缩等运动，又可以承受和吸收较大的能量冲击H-，因而能够在复杂空间以及非结构化环境下工作，如执行地震救援、管道检查、微创手术等任务。51，近年来受到研究者的广泛关注

4、。软体机器人的本体结构通常由弹性聚合物如橡胶、硅胶等构成∞。，其驱动器是设计中的难点，须保证足够的柔顺性、输出力和行程。目前，通常采用的软体机器人驱动器有形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy，SMA)、丝驱动机构(tendon—drivenmechanisms)、电活性聚合物(ElectroActivePoly—mer，EAP)、人工气动肌肉(PneumaticArtificialMuscle，PAM)等。Seok等¨o利用网格状SMA来模拟蚯蚓蠕动。Camarillo等¨1应用丝驱动于心脏导管中。Mat

5、toli等H。根据章鱼肌肉特性提出了基于EAP人工肌肉的仿生结构。Walker等¨叫采用PAM模拟象鼻形态及其运动。哈佛大学Whitesides等。1u利用硅橡胶材料制造了可由气压快速驱动的Pneu—Net架构软体驱动器。在设计理论方面，Walker和Jones。121在常曲率假设的基础上，利用改进的D—H模型和几何分析建立了适用于一类软体驱动器的运动学关系。Polygerinos等。1纠针对线增强型软体气压驱动器提出了其分析模型，为软体驱动器确定性设计提供了方向。国内虽然对软体驱动器的研究起步较早，但目前工作仍缺

6、乏系统性。如上海交通大学的马建旭等。14o提出了仿蚯蚓蠕动式微驱动器；哈尔滨工业大学的王振龙等。1副借鉴乌贼的肌肉性净水骨骼原理，提出并研制了嵌入SMA丝驱动的仿生柔性鳍单元。上述软体驱动器中，SMA和EAP虽然控制效收稿日期：2016-05-03；录用日期：2016-06—24；网络出版时间：2016-07-0119：30网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160701．1930．002．html基金项目：国家自然科学基金(51375329)；天津市应用基础与前

7、沿技术研究计划(14JCYBJCl9300)；高等学校博士学科点专项科研基金(20130032120036){通讯作者：E-mail：rjkang@tju．edu．cn弓l用格式：壬华．索荣杰．王兴坚．等．教体弯曲驱动器设计与建模[3]．北京航空航天大学学报．2017，43(5)：1053．1060．WANGH，KANGRJ，WANGXJ，eta1．Designandmoddingof8softbendingactuatorEjj．JournalofBeringUniversityofAeronauticsandA

8、stronautics，2017．43(5)：1053-1060(inChinese)．1054北京航空航天大学学报2017年率高，但响应速度较慢，且输出力较小；丝驱动不能承受大负载，尤其是压缩载荷；而气压型驱动器由于其本体结构的柔顺性、轻质、快速响应及输出力大等优点具有良好的表现。1⋯。本文设计了一种可完成弯曲运动的新型软体气压驱动器，对其工作原理进行了阐