一种可模块化组装柔体机器人的柔性智能模块化结构_金虎.caj

一种可模块化组装柔体机器人的柔性智能模块化结构
作者 : 金虎
学位授予单位 : 中国科学技术大学
学位名称 : 博士
导师姓名 : 杨杰;董二宝
学位年度 : 2016
摘要 : 传统刚性机器人为了满足机构硬度、运动精度和负载需求而采用电磁驱动器和刚性结构设计。与之不同的是,柔体机器人拥有多自由度的运动能力及完全柔软的躯干。柔性机器人机体采用新型浇铸工艺及柔性材料制作而成,如硅橡胶聚合物、高分子材料和聚氨酯等。此外,这类柔性材料对化学物质无反应性,可在极端、复杂环境下依然保持着高度完整性和稳定性,因而,采用这类柔性材料制作的柔体机器人拥有着较高的灵活性、兼容性和适应能力。大部分的柔体机器人的驱动器是一种智能驱动模块,模仿某种或一类软体生物的肌肉器官或静水骨骼系统,一般由智能材料-如形状记忆合金、电介质弹性体、电活性聚合物等-与柔性材料复合而成；在柔体机器人中,它们不仅仅作为驱动模块,同时也是机器人的支撑结构即机器人的机体,这种紧凑体型赋予了柔体机器人在复杂环境和狭小空间下的可操作性和灵活性；此外,柔体机器人在与人类交互过程中有着很高的安全性,是在家庭和公共场所中理想的服务机器人平台。目前为止,柔体机器人已被应用于复杂环境下的援助和搜救以及工业生产、医疗领域等。在过去的几十年里,模块化机器人是一种定义某种基础构件能够通过程序化组装实现多种形态和功能的刚性机器人的术语。这类机器人的模块化组件拥有独立的控制单元和标准的通讯接口,即能够独立实现某些单一运动,也能够在程序化组装的机器人上实现复杂功能。事实上,模块化概念可被广泛地在大自然中观察到,许多软体生物拥有辐射对称或双边对称的结构,其对称的躯干拥有完全相同的外形、功能以及独立的神经单元,并通过中央控制器实现多躯干的耦合以完成避障、捕食等复杂运动。再者,一些软体动物如海星、章鱼等可以再生受损或者截断的腕足,这种再生能力激励了人们设计一种低成本、拥有独立功能的组件用来快速替换已损坏组件,以实现提高生产效率、节约维护成本。本文围绕模块化、智能结构和柔性驱动器这三个概念,提出了一种基于形状记忆合金丝驱动的柔性智能模块化结构。所述柔性智能模块化结构能够实现高频大幅度的往复运动,拥有智能化自反馈控制回路、独立的能源单元以及标准的通讯单元。因此,基于柔性智能模块化结构,多种模式的柔体机器人能够被组装,比如辐射对称、双边对称机器人。以辐射对称柔体机器人为例,深入探讨了机器人在不同环境下的适应能力,并对其运动策略进行了针对性的研究,展现了模块化组装机器人的优异性能。为了进一步拓展柔性智能模块化结构的应用范围,基于改进型模块化结构-柔性手指模块化结构,制作了一款逼真度极高的柔性灵巧手,进一步提高了所述柔性智能模块化结构的可扩展性和应用前景。主要研究内容和成果如下：(1)柔性智能模块化驱动器及其改进型、辐射对称柔体机器人以及仿生灵巧手的仿生设计及浇铸工艺探索。通过对肌肉组织、静水骨骼的结构仿生研究,并融合了生物界中‘模块化’概念,采用模具成型方法以及分层浇筑工艺,设计并制作了一种基于形状记忆合金丝驱动的柔性复合驱动器-柔性智能模块化结构。为了延缓/避免热死寂现象在柔性智能模块化结构长时间往复运动中的出现,通过对动物血管、植物水管网络的结构和功能仿生研究,采用嵌入式微流管道设计及PDMS键合技术,提出了一种基于微流管道水冷却的柔性智能模块化结构。此外,通过对人手肌肉、手骨的仿生研究,得到了人手不同手指的仿生尺寸。为了实现仿人手指动作的柔性驱动器,在人手结构和动作的仿生学指导下,提出了一款基于柔性智能模块化结构的改进型-柔性仿生手指复合驱动器。基于柔性智能模块化结构及对辐射对称动物的仿生研究,组装了一种辐射对称柔体机器人,并搭建集成化控制单元；通过对机器人外部增加贝形蒙皮,将其拓展为仿水母机器人。基于柔性智能模块化结构改进型-柔性仿生手指复合驱动器,通过一体化模具浇铸工具,制作了一款逼真度极高的柔性仿生灵巧手。(2)柔性智能模块化驱动器的运动学及热动力学模型。柔性智能模块化结构能够实现往复大变形运动,其运动学无法采用现有D-H法进行建模。为此,基于修正的Brayan D-H法,建立了柔性智能模块化结构的运动学模型,并在MATLAB实现了基于柔性智能模块化结构的三足辐射对称柔体机器人的运动学动态仿真。由于形状记忆合金是通过电流加热而发生相变,在柔性智能模块化结构长时间往复运动过程中,其运动能力(包括变形范围,往复频率)会随着时间而逐渐变弱,直至进入热死寂状态。为了分析柔性智能模块化结构的瞬态导热过程及热传导规律,基于有限段离散的集总参数模型、热交换及热对流理论,在MATLAB平台上建立了柔性智能模块化的热动力学模型,并同过实验-仿真对比验证了模型的有效性和准确性。(3)柔性智能模块化结构的自反馈控制系统、稳态高频往复运动实现及其截止频率分析。形状记忆合金电阻值在相变过程中会发生有规律且重复度高的波动变化,基于这一电学特性,建立了基于形状记忆合金丝电阻率的自反馈控制系统,自反馈系统的控制参数能够实时依据采样信号校准,因而能够避免供电压不稳定对的干扰。基于自反馈控制系统,能够实现两个功能：一是实现模块化结构往复运动过程中的幅度控制-通过给定不同的控制参数,可实现柔性智能模块化结构的变形幅度控制；二是实现模块化结构的自适应加热,自适应加热策略是一种能够在形状记忆合金达到相变温度后自动停止加热。采用自适应加热策略能够有效地延缓模块化结构的热死寂现象的出现,提高了柔性智能模块化驱动器的工作时间,然而其在能力上依然有很大的不足；为此,将微流管道结构设计加入到柔性智能模块化结构中,并通过水冷进行疏导传热,可在采用自适应加热策略的基础上,大大提高柔性智能模块化结构的工作时间,并实现稳态高频往复运动。引入了往复运动截止频率概念-给定运动频率下,柔性智能模块化结构的变形幅度率(归一化幅度),并以0.707倍最大变形幅度所对应的运动频率为截止频率,用于表达柔性智能模块化结构的工作能力及分析其在不同策略和结构下的性能对比。此外,还对柔性智能模块化结构的变形能力与结构中两个参数之间关系进行了分析,并总结出其变化规律。(4)辐射对称柔体机器人的多功能运动及其控制策略研究。基于柔性智能模块化结构,搭建了五足辐射对称柔性仿生机器人平台,用于实现多介质环境下的多种功能。首先,基于海星的仿生步态,研究了机器人在平坦地面上运动速度与步态参数之间的关系,并得到最优步态参数组,实现了机器人在平坦地面上快速高效运动。其次,将机器人平台与机械臂组装成为操作平台,并提出了基于自适应加热策略下的保持抓握状态的自适应-PWM加热策略,实现了机器人对复杂表面对象、易碎物品的抓握能力,在高负载下模拟了实际流水线下抓取-运送-释放过程。再者,研究了小型化三足辐射对称机器人的爆发力测试,实现了机器人的跳跃步态；机器人在不同的足运动时序输入及加热时间下,能够实现跳跃高度和方向的控制。最后,通过在五足辐射对称机器人加上一层蒙皮,使其成为仿水母机器人,并探讨其在水下射流推进机理。(5)仿生灵巧手的设计及工艺、分析及其人机交互控制策略。基于对人手结构、运动的仿生研究,改进了柔性智能模块化结构,使其成为一种柔性手指模块化结构。基于模具浇铸技术,探讨了仿生灵巧手系统的制作工艺,成功试制了多款灵巧手样机,分析了仿生灵巧手手指的运动原理及其工作能力。搭建了基于肌电信号的仿人灵巧手人机交互控制系统,通过肌电采集提取人手指动作信号,并进行模式识别发出相应的指令传达给灵巧手系统,从而实现仿生灵巧手的人机交互控制。柔性仿生灵巧手能够实现多种高逼真度的手势动作,并能够模仿人类手指动作的无极变速能力-仿生灵巧手手指即能够很缓慢的动作,也能够快速、猛烈敲击动作。