抓持機構作為服務機器人與非結構環(huán)境交互的一類關鍵使能部件,對提高和擴展服務機器人的智能化程度和應用范圍具有重要作用。面向服務機器人對軟體機械手的重要需求,本文通過創(chuàng)新變剛度結構,提出了一種兼具適應性抓持和變剛度能力的新型仿生軟體機械手,研究內容主要涉及變剛度軟體機械手的結構設計與分析、樣機制造、實驗驗證、控制系統(tǒng)開發(fā)及自主抓持控制等。主要研究成果如下:1.變剛度軟體機械手的仿生設計。探索穿山甲鱗甲結構增韌機理,利用鱗片宏觀和微觀上的摩擦互鎖現(xiàn)象,將鱗甲結構轉化為可制造的機械結構,實現(xiàn)了變剛度結構的仿生設計�；诜蔷�性有限元仿真,提出了氣動驅動器的結構優(yōu)化方法,實現(xiàn)了末端抓持力的提升。以此為基礎,提出了一種結構簡單、剛度可變、抓持能力強且控制便捷的仿生變剛度軟體機械手。2.變剛度軟體機械手的制造與實驗研究�？紤]到超彈性材料的雙組分加成特點,提出了一種軟體分層制造方法,實現(xiàn)了剛-柔-軟結構的一體化制造,搭建了軟體機械手抓持平臺�；谲浖抡媾c實驗對比,建立了仿生變剛度軟體機械手輸入輸出映射模型,借助變剛度結構,軟體機械手在抓持時剛度提升了2.7倍,驗證了仿生變剛度軟體機械手結構設計的有效性... 

【文章來源】：天津大學天津市211工程院校985工程院校教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

剛性機械手(a)VelvetFinger(b)Utah/MITHand

第一章緒論2圖1-2軟體機器人(a)軟體魚[14]；(b)軟體彈跳機器人[15]；(c)軟體四足機器人[16](d)軟體蝠鲼機器人[17]；(e)仿生章魚機器人[18]；(f)軟體蠕蟲機器人[19]Figure1-3Softrobots(a)Softroboticfish(b)Functionallygradedsoftrobot(c)Multigaitsoftrobot(d)Manta-rayinspiredlocomotion(e)Softoctopusrobot(f)Meshworm軟體機器人本體采用軟材料或柔性材料加工而成，具有無限多自由度和連續(xù)變形的能力，因此其形成的多種構型能使末端執(zhí)行器到達其工作空間的任意一點。由于柔性材料對環(huán)境有優(yōu)異的順應性，同時在應對外界壓力時有較低的阻抗，軟體機器人對環(huán)境的適應性強，可通過自身變形被動適應環(huán)境；根據(jù)軟體機器人不同的結構特點，可以通過氣動、電驅動等方式主動控制軟體機器人變形，以使其處于不同的形態(tài)實現(xiàn)預定動作；主動變形與被動變形相結合，就可以執(zhí)行復雜任務。例如，可以利用軟體機器人穿過比本體正常尺寸小的管道、縫隙等，進入傳統(tǒng)機器人無法進入的空間去執(zhí)行任務。在應用上，軟體機器人可以大幅度伸縮、彎曲和扭轉，可在有限空間下進行作業(yè)，例如微創(chuàng)手術[20]和地震、火災等公共安全事故救援[21]；自身可以連續(xù)變形，在仿生結構[22-23]和仿生運動方面[14,24]可以更好地模仿生物的結構和運動；可以根據(jù)周圍環(huán)境改變自身的形狀和結構等，在非結構環(huán)境下復雜易碎物體抓持[25-26]，極端惡劣環(huán)境下行走[27]和偽裝逃生[28]等方面有極大的應用場景。軟體機械手是軟體機器人研究中的一個重要分支，因為其能與目標物體形成柔性接觸，人機交互性好，順應物體形狀的同時具有簡單、易于制造的結構，所以軟體機械手是最有希望能模仿人類的抓持行為的抓持機構[29]。KoichiSuzumori[30]對軟體機械手進行了一些最早的工作，1989年他?

第一章緒論3圖1-3最早的軟驅動器Figure1-3Theearliestsoftactuator的軟體機械手，基于變長度線纜的軟體機械手，基于智能材料變形的軟體機械手，其他類型軟體機械手。圖1-4展示了具有代表性的不同種類軟體機械手研究。在基于變長度線纜的軟體機械手方面，意大利仿生機器人實驗室的BarbaraMazzolai課題組[18]將線纜和軟材料結合研發(fā)了一種多臂章魚機器人，可以像章魚一樣在水中行走，還能抓持多種形狀和大小的物體。該課題組還在2015年利用硅膠材料與線纜研發(fā)了一種可實現(xiàn)柔順有效抓持的軟體仿生手[31]。澳大利亞伍倫貢大學的RahimMutlu等人[32]將線纜穿過3D打印的柔性鉸鏈，制作了類似人手的線驅動軟體機械手。基于變長度線纜的軟體機械手雖然能實現(xiàn)一部分的順應性，但控制較為復雜，在使用壽命、抓持效率方面還存在不足。在基于智能材料變形的軟體機械手方面，巴黎綜合理工大學JunShintake等人[33]基于電活性聚合物(EAP)受電場作用發(fā)生形變的原理制作了一種通用的軟體機械手。俄亥俄州立大學YuShe等人[34]利用條狀形狀記憶合金(SMA)材料制作了仿人手形狀的軟體機械手，并對SMA材料進行了建模分析，該軟體機械手的質量較小卻能實現(xiàn)較大抓持力輸出。南洋理工大學Gih-KeongLau等人[35]利用介電彈性體材料(DE)制作了一種軟體機械手，通過施加高電壓實現(xiàn)抓放動作。這些基于智能材料變形的軟體機械手，使用的新型智能材料大多成本較高且制造難度大，驅動時多需要較高的電壓，安全性較差，其中SMA等熱變形材料的反應速度較慢，所以這些軟體機械手基本僅存在于實驗室研究中。還有一些新型軟體機械手，芝加哥大學的EricBrown和康奈爾大學的JohnAmend等人[36]研制的UniversalGripper，利用負壓對裝滿咖啡豆的軟材料包產生的阻塞效應實現(xiàn)物體的抓持

【參考文獻】：
期刊論文
[1]軟體機器人:結構、驅動、傳感與控制[J]. 王田苗,郝雨飛,楊興幫,文力.  機械工程學報. 2017(13)
[2]穿山甲鱗片拉伸性能和微結構特征[J]. 唐偉文,闞前華,康國政.  應用數(shù)學和力學. 2014(S1)

博士論文
[1]長足大象甲的特征、力學、運動特征及其仿生分析[D]. 許順.吉林大學 2017
[2]基于肌肉性靜水骨骼原理的機器烏賊原型關鍵技術研究[D]. 杭觀榮.哈爾濱工業(yè)大學 2009



本文編號：3622941