本文關(guān)鍵詞： 智能模塊化結(jié)構(gòu) 形狀記憶合金絲 自反饋控制 輻射對(duì)稱(chēng)柔性機(jī)器人 仿人靈巧手　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：傳統(tǒng)剛性機(jī)器人為了滿足機(jī)構(gòu)硬度、運(yùn)動(dòng)精度和負(fù)載需求而采用電磁驅(qū)動(dòng)器和剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與之不同的是,柔體機(jī)器人擁有多自由度的運(yùn)動(dòng)能力及完全柔軟的軀干。柔性機(jī)器人機(jī)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(lèi)柔性材料對(duì)化學(xué)物質(zhì)無(wú)反應(yīng)性,可在極端、復(fù)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(lèi)柔性材料制作的柔體機(jī)器人擁有著較高的靈活性、兼容性和適應(yīng)能力。大部分的柔體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器是一種智能驅(qū)動(dòng)模塊,模仿某種或一類(lèi)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(zhì)彈性體、電活性聚合物等-與柔性材料復(fù)合而成；在柔體機(jī)器人中,它們不僅僅作為驅(qū)動(dòng)模塊,同時(shí)也是機(jī)器人的支撐結(jié)構(gòu)即機(jī)器人的機(jī)體,這種緊湊體型賦予了柔體機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境和狹小空間下的可操作性和靈活性；此外,柔體機(jī)器人在與人類(lèi)交互過(guò)程中有著很高的安全性,是在家庭和公共場(chǎng)所中理想的服務(wù)機(jī)器人平臺(tái)。目前為止,柔體機(jī)器人已被應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的援助和搜救以及工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療領(lǐng)域等。在過(guò)去的幾十年里,模塊化機(jī)器人是一種定義某種基礎(chǔ)構(gòu)件能夠通過(guò)程序化組裝實(shí)現(xiàn)多種形態(tài)和功能的剛性機(jī)器人的術(shù)語(yǔ)。這類(lèi)機(jī)器人的模塊化組件擁有獨(dú)立的控制單元和標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口,即能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某些單一運(yùn)動(dòng),也能夠在程序化組裝的機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。事實(shí)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(duì)稱(chēng)或雙邊對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu),其對(duì)稱(chēng)的軀干擁有完全相同的外形、功能以及獨(dú)立的神經(jīng)單元,并通過(guò)中央控制器實(shí)現(xiàn)多軀干的耦合以完成避障、捕食等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。再者,一些軟體動(dòng)物如海星、章魚(yú)等可以再生受損或者截?cái)嗟耐笞?這種再生能力激勵(lì)了人們?cè)O(shè)計(jì)一種低成本、擁有獨(dú)立功能的組件用來(lái)快速替換已損壞組件,以實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、節(jié)約維護(hù)成本。本文圍繞模塊化、智能結(jié)構(gòu)和柔性驅(qū)動(dòng)器這三個(gè)概念,提出了一種基于形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)。所述柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高頻大幅度的往復(fù)運(yùn)動(dòng),擁有智能化自反饋控制回路、獨(dú)立的能源單元以及標(biāo)準(zhǔn)的通訊單元。因此,基于柔性智能模塊化結(jié)構(gòu),多種模式的柔體機(jī)器人能夠被組裝,比如輻射對(duì)稱(chēng)、雙邊對(duì)稱(chēng)機(jī)器人。以輻射對(duì)稱(chēng)柔體機(jī)器人為例,深入探討了機(jī)器人在不同環(huán)境下的適應(yīng)能力,并對(duì)其運(yùn)動(dòng)策略進(jìn)行了針對(duì)性的研究,展現(xiàn)了模塊化組裝機(jī)器人的優(yōu)異性能。為了進(jìn)一步拓展柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍,基于改進(jìn)型模塊化結(jié)構(gòu)-柔性手指模塊化結(jié)構(gòu),制作了一款逼真度極高的柔性靈巧手,進(jìn)一步提高了所述柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性和應(yīng)用前景。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：(1)柔性智能模塊化驅(qū)動(dòng)器及其改進(jìn)型、輻射對(duì)稱(chēng)柔體機(jī)器人以及仿生靈巧手的仿生設(shè)計(jì)及澆鑄工藝探索。通過(guò)對(duì)肌肉組織、靜水骨骼的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)并制作了一種基于形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的柔性復(fù)合驅(qū)動(dòng)器-柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)。為了延緩/避免熱死寂現(xiàn)象在柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的出現(xiàn),通過(guò)對(duì)動(dòng)物血管、植物水管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能仿生研究,采用嵌入式微流管道設(shè)計(jì)及PDMS鍵合技術(shù),提出了一種基于微流管道水冷卻的柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)。此外,通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)仿人手指動(dòng)作的柔性驅(qū)動(dòng)器,在人手結(jié)構(gòu)和動(dòng)作的仿生學(xué)指導(dǎo)下,提出了一款基于柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型-柔性仿生手指復(fù)合驅(qū)動(dòng)器。基于柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)及對(duì)輻射對(duì)稱(chēng)動(dòng)物的仿生研究,組裝了一種輻射對(duì)稱(chēng)柔體機(jī)器人,并搭建集成化控制單元；通過(guò)對(duì)機(jī)器人外部增加貝形蒙皮,將其拓展為仿水母機(jī)器人�；谌嵝灾悄苣K化結(jié)構(gòu)改進(jìn)型-柔性仿生手指復(fù)合驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)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(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)及熱動(dòng)力學(xué)模型。柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)大變形運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)學(xué)無(wú)法采用現(xiàn)有D-H法進(jìn)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(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并在MATLAB實(shí)現(xiàn)了基于柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的三足輻射對(duì)稱(chēng)柔體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)態(tài)仿真。由于形狀記憶合金是通過(guò)電流加熱而發(fā)生相變,在柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,其運(yùn)動(dòng)能力(包括變形范圍,往復(fù)頻率)會(huì)隨著時(shí)間而逐漸變?nèi)?直至進(jìn)入熱死寂狀態(tài)。為了分析柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程及熱傳導(dǎo)規(guī)律,基于有限段離散的集總參數(shù)模型、熱交換及熱對(duì)流理論,在MATLAB平臺(tái)上建立了柔性智能模塊化的熱動(dòng)力學(xué)模型,并同過(guò)實(shí)驗(yàn)-仿真對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性和準(zhǔn)確性。(3)柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的自反饋控制系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)及其截止頻率分析。形狀記憶合金電阻值在相變過(guò)程中會(huì)發(fā)生有規(guī)律且重復(fù)度高的波動(dòng)變化,基于這一電學(xué)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?qū)崟r(shí)依據(jù)采樣信號(hào)校準(zhǔn),因而能夠避免供電壓不穩(wěn)定對(duì)的干擾�；谧苑答伩刂葡到y(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的幅度控制-通過(guò)給定不同的控制參數(shù),可實(shí)現(xiàn)柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的變形幅度控制；二是實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)加熱,自適應(yīng)加熱策略是一種能夠在形狀記憶合金達(dá)到相變溫度后自動(dòng)停止加熱。采用自適應(yīng)加熱策略能夠有效地延緩模塊化結(jié)構(gòu)的熱死寂現(xiàn)象的出現(xiàn),提高了柔性智能模塊化驅(qū)動(dòng)器的工作時(shí)間,然而其在能力上依然有很大的不足；為此,將微流管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加入到柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)中,并通過(guò)水冷進(jìn)行疏導(dǎo)傳熱,可在采用自適應(yīng)加熱策略的基礎(chǔ)上,大大提高柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的工作時(shí)間,并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)。引入了往復(fù)運(yùn)動(dòng)截止頻率概念-給定運(yùn)動(dòng)頻率下,柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的變形幅度率(歸一化幅度),并以0.707倍最大變形幅度所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)頻率為截止頻率,用于表達(dá)柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的工作能力及分析其在不同策略和結(jié)構(gòu)下的性能對(duì)比。此外,還對(duì)柔性智能模塊化結(jié)構(gòu)的變形能力與結(jié)構(gòu)中兩個(gè)參數(shù)之間關(guān)系進(jìn)行了分析,并總結(jié)出其變化規(guī)律。(4)輻射對(duì)稱(chēng)柔體機(jī)器人的多功能運(yùn)動(dòng)及其控制策略研究。基于柔性智能模塊化結(jié)構(gòu),搭建了五足輻射對(duì)稱(chēng)柔性仿生機(jī)器人平臺(tái),用于實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)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(jī)器人在平坦地面上運(yùn)動(dòng)速度與步態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系,并得到最優(yōu)步態(tài)參數(shù)組,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在平坦地面上快速高效運(yùn)動(dòng)。其次,將機(jī)器人平臺(tái)與機(jī)械臂組裝成為操作平臺(tái),并提出了基于自適應(yīng)加熱策略下的保持抓握狀態(tài)的自適應(yīng)-PWM加熱策略,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)復(fù)雜表面對(duì)象、易碎物品的抓握能力,在高負(fù)載下模擬了實(shí)際流水線下抓取-運(yùn)送-釋放過(guò)程。再者,研究了小型化三足輻射對(duì)稱(chēng)機(jī)器人的爆發(fā)力測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的跳躍步態(tài)；機(jī)器人在不同的足運(yùn)動(dòng)時(shí)序輸入及加熱時(shí)間下,能夠?qū)崿F(xiàn)跳躍高度和方向的控制。最后,通過(guò)在五足輻射對(duì)稱(chēng)機(jī)器人加上一層蒙皮,使其成為仿水母機(jī)器人,并探討其在水下射流推進(jìn)機(jī)理。(5)仿生靈巧手的設(shè)計(jì)及工藝、分析及其人機(jī)交互控制策略。基于對(duì)人手結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)的仿生研究,改進(jìn)了柔性智能模塊化結(jié)構(gòu),使其成為一種柔性手指模塊化結(jié)構(gòu)。基于模具澆鑄技術(shù),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(jī),分析了仿生靈巧手手指的運(yùn)動(dòng)原理及其工作能力。搭建了基于肌電信號(hào)的仿人靈巧手人機(jī)交互控制系統(tǒng),通過(guò)肌電采集提取人手指動(dòng)作信號(hào),并進(jìn)行模式識(shí)別發(fā)出相應(yīng)的指令傳達(dá)給靈巧手系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)仿生靈巧手的人機(jī)交互控制。柔性仿生靈巧手能夠?qū)崿F(xiàn)多種高逼真度的手勢(shì)動(dòng)作,并能夠模仿人類(lèi)手指動(dòng)作的無(wú)極變速能力-仿生靈巧手手指即能夠很緩慢的動(dòng)作,也能夠快速、猛烈敲擊動(dòng)作。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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