基于3D打印的仿生柔性驱动器及其性能研究

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tiger0092009
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与传统的刚性机器人相比,软体机器人具有自适应性强,高交互性和高安全性等优势。软体机器人的灵活性为解决机器人、驱动器、抓手等传统器械面临的难题提供了全新的途径。软体机器人可利用对驱动的高度非线性响应来完成较为复杂的运动,实现传统刚性器械难以完成的任务。首先,受自然界章鱼触须运动的启发,本文提出了一种基于3D打印的具有嵌入式气动网格驱动单元的六爪驱动器,其由一个可拉升的顶层和一个不可拉伸的底层复合而成。为了保证驱动器良好的驱动性能,其驱动单元内部气动网格的结构设计至关重要。本文研究了气动网格的关键结构参数对驱动单元驱动性能的影响,包含网格高度、网格宽度和网格数量,并讨论了不同结构参数下驱动单元的驱动压力阈值,明确了驱动性能测试中所需要的外部气源压力;分析不同网格高度、网格宽度和网格数量条件下气动驱动单元的驱动速度和驱动驱动力与驱动气压之间的关系,并运用超弹性理论Mooney-Rivlin的非线性材料模型分析气动驱动单元的大变形过程,通过实物抓取试验和重复性驱动测试验证了驱动器良好的抓取性能和耐用性。其次,受象鼻的运动启发,提出了一种具有多方向弯曲能力的仿生驱动臂,驱动臂的内部由三个嵌入式气动驱动单元和一个用于增加驱动臂刚度的内嵌模块组成。阐述了驱动臂的驱动原理,分析了驱动臂在特定结构下的驱动压力阈值并确定了其驱动压力。研究了驱动臂在特定气压下,不同长径比对驱动臂的曲率半径、弯曲角度和尖端偏移量的影响。利用线性拟合得到驱动臂尖端偏移量与驱动时间的关系,建立了弯曲运动的数学模型,运用此运动模型通过调整各个驱动单元的驱动时间预测驱动臂的弯曲方向,并通过试验进行了验证。为实现驱动臂三个驱动单元的分别控制,设计开发了一套可编程的气动驱动系统,实现了每个驱动单元的驱动时间独立可控试验。通过重复弯曲试验验证了驱动器驱动性能的稳定性,并结合有限元分析软件分析了驱动臂的变形过程。最后,展示了驱动器在电磁屏蔽和柔性传感领域的潜在应用,并通过试验验证了其应用的可行性。对比了不同底层复合材料驱动器的信号屏蔽效果,探究了不同铜粉含量的底层材料对驱动器电磁屏蔽效果的影响。使用多壁碳纳米管和氧化石墨烯的导电材料制作柔性传感器,对比不同导电材料喷涂次数和导电材料浓度下传感器的导电性能,测量传感器在不同拉伸应变下的电阻变化,通过重复试验测试验证了传感器的稳定性。将传感器复合在柔性驱动器的表面,通过其拉阻特性对驱动器的运动状态进行实时监控。本文分析了驱动器的嵌入式驱动单元网格的结构参数对驱动器的性能影响,并对其结构参数进行了优化,实现了高自适应性、高包覆性、驱动压力小、变形大等特点的六爪驱动器的开发;研究了驱动臂的运动参数与时间之间的线性和非线性关系,提出了多方向弯曲仿生驱动臂的制造和控制方法;进行了驱动器的在电磁屏蔽和驱动传感方向的潜在应用的探索,验证了3D打印柔性驱动系统的理论和试验可行性,为3D打印柔性驱动器在柔性机器人、航空航天、医疗、军事等关键领域的应用提供了试验和理论依据。
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