仿青蛙游動機(jī)器人軟體致動器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究.x課件

仿青蛙游動機(jī)器人軟體致動器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步,人類對自然界生物的研究不斷深入,根據(jù)生物肌體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特性等研制的仿生機(jī)器人在各個領(lǐng)域中得以應(yīng)用。仿生軟體機(jī)器人,有助于實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的微小型化、提高仿生機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性,剛、柔、軟材料特性的融合應(yīng)用可使得仿生機(jī)器人具有更加廣闊的應(yīng)用前景。本文以青蛙為研究對象,研制了一種仿青蛙游動軟體機(jī)器人。首先,對青蛙的生物體結(jié)構(gòu)和游動過程肢體運(yùn)動特點(diǎn)進(jìn)行研究分析,設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)式氣動軟體致動器結(jié)構(gòu)模型,利用Yeoh本構(gòu)模型和虛功原理,結(jié)合關(guān)節(jié)式氣動軟體致動器的幾何參數(shù),建立了致動器的理論形變分析模型,在總體尺寸受約束的情況下,以一定彎曲角度時端部輸出恢復(fù)力矩最大為目標(biāo),確定關(guān)節(jié)式氣動軟體致動器的結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)而融合3D打印、模塑成型等加工工藝方法,加工制備關(guān)節(jié)式氣動軟體致動器,確定采用纖維線限制致動器徑向凸起效應(yīng)的繞線形式和繞線密度,通過初步裝機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證針對仿青蛙游動軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)式氣動軟體致動器的可行性,經(jīng)過對關(guān)節(jié)式氣動軟體致動器實(shí)際運(yùn)動特性和固定彎曲角度下的輸出力矩特性的實(shí)驗(yàn)測試分析,建立其擬合運(yùn)動學(xué)模型和力學(xué)模型,方便后續(xù)對關(guān)節(jié)式氣動軟體致動器的調(diào)控,為研制仿青蛙游動軟體機(jī)器人奠定基礎(chǔ)。其次,對青蛙肌骨骼系統(tǒng)與游動機(jī)理以及傳統(tǒng)剛性仿青蛙游動機(jī)器人的機(jī)構(gòu)與性能特點(diǎn)展開分析,結(jié)合關(guān)節(jié)式氣動軟體致動器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定了仿青蛙游動軟體機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了具有剛、柔、軟特性的仿蛙后肢大、小腿結(jié)構(gòu)、具有單向劃水特性的腳蹼結(jié)構(gòu)、滿足機(jī)器人防水性能和排氣性能主體軀干結(jié)構(gòu)以及前、后肢內(nèi)收關(guān)節(jié)連接結(jié)構(gòu)等。通過對機(jī)器人前后肢體機(jī)構(gòu)位姿的分析,求解其正運(yùn)動學(xué),繪制了仿蛙肢體的運(yùn)動空間,初步驗(yàn)證了仿青蛙游動軟體機(jī)器人肢體結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。然后,基于對青蛙游動過程中肢體運(yùn)動姿態(tài)及運(yùn)動強(qiáng)度的分析,結(jié)合關(guān)節(jié)式氣動軟體致動器的運(yùn)動特性和力學(xué)特性,規(guī)劃仿青蛙游動軟體機(jī)器人前、后肢體各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡,結(jié)合氣動軟體致動器的擬合運(yùn)動模型,獲取仿蛙肢體運(yùn)動過程中致動器內(nèi)腔的氣壓變化曲線,確定氣動軟體致動器的控制策略,通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃和控制方法的有效性。最后,設(shè)計(jì)了仿青蛙游動軟體機(jī)器人電氣系統(tǒng)和氣動系統(tǒng),確定了上、下位機(jī)數(shù)據(jù)交互關(guān)系,編寫軟件程序,完成了控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的無約束游動。搭建仿青蛙游動軟體機(jī)器人原理樣機(jī),并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試機(jī)器人的運(yùn)動性能,測試了基于