SMA人工肌肉軟體機(jī)器人的變形控制與運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、由于軟體機(jī)器人具有更接近生物的柔軟特性，具備機(jī)動(dòng)靈活的運(yùn)動(dòng)能力和良好的適應(yīng)性，因此軟體機(jī)器人吸引了眾多研究人員的關(guān)注。軟體機(jī)器人作為一個(gè)橫跨工程學(xué)、材料學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，其在促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展上具有巨大潛力。本論文圍繞形狀記憶合金(SMA)人工肌肉軟體機(jī)器人的變形控制與運(yùn)動(dòng)機(jī)理，開展了SMA人工肌肉的仿生設(shè)計(jì)和制備工藝研究、SMA人工肌肉的建模分析與變形控制研究、SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人的多模步態(tài)分析研究、SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)

2、的軟體機(jī)器人的路徑規(guī)劃研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　1)通過對(duì)肌肉的仿生學(xué)研究，設(shè)計(jì)SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器，為軟體機(jī)器人的快速設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。選取具有高能量密度、低噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)的SMA絲作為驅(qū)動(dòng)器的骨架，結(jié)合3D打印技術(shù)和智能材料技術(shù)，通過澆鑄工藝設(shè)計(jì)并制作了兩種SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器:單側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器和雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器。M-型配置的SMA絲骨架使得單側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器在緊湊性、輸出應(yīng)變和外

3、接導(dǎo)線時(shí)具有較好的優(yōu)勢(shì)。單側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器僅能夠在單側(cè)運(yùn)動(dòng)，且其初始狀態(tài)是彎曲態(tài)。通過響應(yīng)頻率和彎曲幅度實(shí)驗(yàn)，對(duì)單側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。測(cè)試了單側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的末端驅(qū)動(dòng)力，并且通過多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL對(duì)單側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了熱力學(xué)分析。雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)具有四路SMA通道的粘貼式驅(qū)動(dòng)器模塊對(duì)稱地粘貼在彈性基板結(jié)構(gòu)（彈簧鋼板）兩側(cè)構(gòu)成。雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的初始狀態(tài)是

4、水平態(tài)，能夠在彈性基板兩側(cè)運(yùn)動(dòng)。通過多通道SMA絲的并聯(lián)，雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器可以輸出不同的彎曲幅度。此外，也測(cè)試了雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的末端驅(qū)動(dòng)力，并且通過多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL對(duì)雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了熱力學(xué)分析。
　　2)對(duì)SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行理論建模以及優(yōu)化分析。通過差示掃描量熱法(DSC)和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了SMA的基本特性測(cè)試:相變溫度測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試?；赟MA的本

5、構(gòu)方程、相變動(dòng)力學(xué)方程、熱力學(xué)方程和驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程分別建立了單側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器和雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)方程?；跔顟B(tài)方程，采用Matlab/Simulink對(duì)SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行數(shù)值仿真，分析了PWM信號(hào)、SMA絲距離PVC板的距離和等效剛度對(duì)SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)性能的影響。這不僅為SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)方向，還對(duì)SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)調(diào)節(jié)具有重要作用?；跔顟B(tài)方程，還測(cè)試了SMA

6、人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的階躍響應(yīng)。此外，將SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器與直流電機(jī)的工作特性進(jìn)行了對(duì)比，為SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器性能的提升提供一種技術(shù)思路。
　　3)基于SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)軟體機(jī)器人，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行建模和優(yōu)化分析?；赟MA的電阻自反饋策略，描述了SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的自感知反饋方法，并測(cè)試了SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的自感知反饋跟蹤效果?；趩蝹?cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了一系列輻射對(duì)稱型軟體機(jī)器人。將SMA驅(qū)動(dòng)器模型與偽剛

7、體模型相結(jié)合，建立輻射對(duì)稱型軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型。通過腕足數(shù)量和步態(tài)參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析，三足軟體機(jī)器人在周期步長(zhǎng)上取得了最好的效果（最大步長(zhǎng)為75mm），并且獲取了相應(yīng)的步態(tài)參數(shù)?；谌丬涹w機(jī)器人，進(jìn)行了多模步態(tài)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，包括多介質(zhì)（半潛水環(huán)境、干沙、濕沙、過渡環(huán)境等）步態(tài)、殘缺步態(tài)和跳躍步態(tài)。三足軟體機(jī)器人能夠在多種介質(zhì)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，并且展現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)能力。三足軟體機(jī)器人在四類典型的殘缺步態(tài)（在前的兩腕足中有一只喪失功能，在后的腕足

8、喪失功能，在前的兩腕足喪失功能，在前的兩腕足中有一只腕足以及在后的腕足喪失功能）下具有不同的運(yùn)動(dòng)特征，這為軟體機(jī)器人的在線辨識(shí)殘缺狀態(tài)提供了參考價(jià)值。通過給SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器施加瞬時(shí)大電壓，三足軟體機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)跳躍步態(tài)（跳躍高度達(dá)67mm，約1.5倍于三足仿海星軟體機(jī)器人的自身高度）。將3D打印技術(shù)和雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款兩側(cè)對(duì)稱的軟體機(jī)器魚。通過雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，軟體機(jī)器魚能夠?qū)崿F(xiàn)直線巡游

9、等基本運(yùn)動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)分析了通道數(shù)量、驅(qū)動(dòng)電壓和雙側(cè)式SMA人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的擺動(dòng)頻率對(duì)軟體機(jī)器魚游動(dòng)性能的影響。這為進(jìn)一步提升軟體機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)性能提供了改進(jìn)方向。
　　4)提出了基于障礙物集合的局部路徑規(guī)劃策略。基于激光雷達(dá)傳感器的信息處理，建立了兩種障礙物模型:用來確定環(huán)境的可通過性的真實(shí)障礙物模型和用來更新機(jī)器人的航向角的安全障礙物模型。通過合并策略，進(jìn)一步得到相應(yīng)的真實(shí)障礙物組和安全障礙物組。通過將最近鄰谷區(qū)策略與motion

10、-context相結(jié)合選取最適間隔，并通過獲勝間隔的安全間隔模型更新航向角信息。基于路徑長(zhǎng)度和路徑的彎曲能量這兩個(gè)準(zhǔn)則，在多種環(huán)境場(chǎng)景下對(duì)比分析了基于障礙物集合的局部路徑規(guī)劃策略和VFH。仿真結(jié)果表明，基于障礙物集合的局部路徑規(guī)劃策略能夠避免局部最小，且生成更為光滑的軌跡。提出了基于功率譜密度的動(dòng)態(tài)障礙物的分類策略。通過分析三種典型動(dòng)態(tài)障礙物（行人、失控的推車和人推推車）的速度曲線的功率譜，借助所定義的兩個(gè)功率譜屬性——具有最大能量的非