仿果蝇幼虫的多模式软体机器人研究
这是一篇关于软体机器人,果蝇幼虫,控制系统,稳压算法的论文, 主要内容为软体机器人是机器人领域中一类新型机器人,其研究内容主要为机器人的设计与制作,建模以及控制等,涉及新型材料、柔性电子、力学仿生、3D打印等多领域交叉的一项研究,相对于传统机器人,软体机器人具备高灵活性和较强的环境适应能力,弥补了传统机器人在柔韧性和形变能力方面的缺陷。其中爬行类生物因为自身的柔软性和灵活性成为软体机器人研究领域中重要研究对象,但是目前关于爬行软体机器人存在运动方式单一,形变能力有限等问题,本课题通过对果蝇幼虫的生理结构和其运动特性研究,设计了一种仿果蝇幼虫的蠕动爬行软体机器人,该机器人相对其他爬行软体机器人具备更丰富的运动方式和高自由度的形变能力,可实现对蠕动波的仿生,并能够进行前进、后退、转弯以及翻滚等多模式运动,主要内容研究如下:(1)根据果蝇幼虫的肌肉和神经协调运动的特性,设计出一种适用于蠕动爬行机器人的波纹管状气动驱动器,采用3D打印技术以及倒模的方法完成驱动器的制作,并组合多个驱动器组成一个完整的果蝇幼虫软体,同时通过Abaqus仿真软件对波纹管状驱动器进行仿真和实验,验证驱动器对机器人运动的可行性;(2)根据果蝇幼虫由脑部通过神经系统进行肌肉运动的控制链路,设计了一种由主控制器发起指令,副控制器执行指令的一主多副的控制系统,采用传感器等元器件完成硬件系统的设计和构建,同时完成控制系统的软件设计和功能开发;(3)根据机器人运动控制过程中对压力稳定输出的需求,根据压力的控制效果设计了状态转换算法,增量PID算法和神经网络PID三种稳压算法并通过实验验证其控制效果,根据实验结果采用具备自适应能力的神经网络PID算法作为控制系统的稳压算法;(4)根据果蝇幼虫的不同运动模式下的肌肉执行过程,设计果蝇幼虫软体机器人的每个模式运动的肌肉状态变化,通过控制系统控制协调控制每个体节的通道压力,使机器人依次完成每个状态,实现果蝇软体机器人的前进、后退、转弯和翻滚等运动。
设计目标导向的气动网格软体驱动器结构逆向求解方法
这是一篇关于软体机器人,气动网格驱动器,设计目标导向,逆向求解方法,结构设计理论的论文, 主要内容为软体机器人凭借其高度的灵活性、出色的适应性和自然安全的可交互性,在医疗、教育、救援等领域显示出巨大的发展潜力。但由于其超弹性材料的高度非线性特征,理论设计方面缺乏相关理论指导,以至于现有软体机器人的设计通常以经验灵感出发附加反复实验验证与修改的方法进行摸索设计。因此,本研究以气动网格结构为例,提出一种以设计目标为导向的气动网格软体驱动器结构逆向求解方法。主要研究内容和结论如下:(1)选用Ecoflex 00-30、Ecoflex00-50和Dragon Skin 30三种主流硅橡胶材料作为气动网格驱动器的基体材料,采用单轴拉伸的测量方式结合ABAQUS有限元分析软件的材料评估功能,得到了三种材料拟合程度最高的超弹性本构模型及其对应的模型系数。(2)利用ABAQUS有限元分析软件,分别对多组气动网格驱动器进行数值模拟实验,通过对数值模拟实验中气动网格驱动器变形情况的观察,提出分结构分析的方法对驱动器的受力情况进行分析汇总。同时考虑三种材料拟合程度高的模型主要为Ogden模型与Yeoh模型,分别建立了适用于Ogden模型以及Yeoh模型的气动网格驱动器数学模型。(3)本文采用失蜡铸造的方式,完成了气动网格驱动器的制作。同时完成了弯曲角度测试实验装置的搭建工作,并运用该装置分别完成了气动网格驱动器弯曲角度的测量。将实验测量所得弯曲角度与数学模型计算所得弯曲角度进行对比分析,发现本文建立的气动网格驱动器数学模型在未发生明显气球膨胀效应的情况下成立。(4)提出一个新款气动网格驱动器的设计目标,运用本文建立的气动网格驱动器数学模型进行设计计算,得到了新款气动网格驱动器气腔壁厚的理论值。在制造误差允许的范围内,选择合适的气腔壁厚值,运用失蜡铸造的方式完成新款驱动器的浇铸成型,并对其进行弯曲角度测试,最终得到的测量结果与设计目标要求的弯曲角度相差0.27°,验证了以设计目标为导向的气动驱动器结构逆向求解方法的准确性。
基于湿敏材料的软体机器人驱动方法研究
这是一篇关于湿度,近红外光,光热转换,软体机器人,自适应抓手的论文, 主要内容为相对于以金属为基础的传统机器人,软体机器人由于动态可调阻尼、轻量化、抗冲击能力、本质安全性等优点得到了广泛的关注。通常来说,软体机器人的驱动变形能力主要来自于刺激响应材料。刺激响应材料是一类具有智能感知行为的材料的总称,它可以根据不同的外界刺激进行形变如湿度、光、温度、酸碱度等,并将刺激中的能量转化为位移和力。其中,湿敏材料是刺激响应材料中极为重要且充满潜力的一类。目前,对湿敏材料的研究还处在初级阶段,研究主要集中在湿度对湿敏材料体积的影响(吸水膨胀)方面,对于湿敏材料的热失水收缩机制的研究尚不太清楚。此外,对于湿敏致动器的理论建模分析和软体机器人的应用开发有限。针对因此,本文体提出了一种基于湿度吸水膨胀和热失水收缩双重机制,能够在湿度刺激和光热刺激下稳定工作的致动器,可以组装成软体机器人实现旋转、爬行等多种运动。具体的工作如下:首先,本文围绕湿敏材料的湿度吸水膨胀和热失水收缩机制,设计了基于氧化石墨烯(GO)/低密度聚乙烯(LDPE)双层薄膜的致动器。由于GO丰富的含氧基团,致动器在相对湿度为80%的环境中弯曲角度平均可达500°。同时,GO还具有优秀的光热转换特性,能够实现光热失水收缩特性,搭配LDPE热膨胀材料,可以实现极高的光热灵敏度。此外,对GO/LDPE致动器进行建模,经过理论公式推导,结果与实验数据和现象基本吻合。将致动器进一步开发和设计,提出了旋转机器人和仿尺蠖机器人的设计方法。旋转机器人能够在湿度和光的协同刺激下进行旋转运动。通过湿度刺激和光热刺激下的致动器叶片的可控形变带动重物运动,造成转轮质心的偏移,实现机器人的旋转运动模式。此外,受自然界生物尺蠖的运动步态启发,设计了一种仿尺蠖的软体爬行机器人,可以通过将不同时刻头部与尾部的摩擦力差异转化为机器人的定向爬行运动。最后为了挖掘GO/LDPE致动器的潜力,扩大其应用范围,制作了自适应仿生软体抓手和新能源薄膜发电机,为未来软体驱动器的设计与应用奠定了基础。
设计目标导向的气动网格软体驱动器结构逆向求解方法
这是一篇关于软体机器人,气动网格驱动器,设计目标导向,逆向求解方法,结构设计理论的论文, 主要内容为软体机器人凭借其高度的灵活性、出色的适应性和自然安全的可交互性,在医疗、教育、救援等领域显示出巨大的发展潜力。但由于其超弹性材料的高度非线性特征,理论设计方面缺乏相关理论指导,以至于现有软体机器人的设计通常以经验灵感出发附加反复实验验证与修改的方法进行摸索设计。因此,本研究以气动网格结构为例,提出一种以设计目标为导向的气动网格软体驱动器结构逆向求解方法。主要研究内容和结论如下:(1)选用Ecoflex 00-30、Ecoflex00-50和Dragon Skin 30三种主流硅橡胶材料作为气动网格驱动器的基体材料,采用单轴拉伸的测量方式结合ABAQUS有限元分析软件的材料评估功能,得到了三种材料拟合程度最高的超弹性本构模型及其对应的模型系数。(2)利用ABAQUS有限元分析软件,分别对多组气动网格驱动器进行数值模拟实验,通过对数值模拟实验中气动网格驱动器变形情况的观察,提出分结构分析的方法对驱动器的受力情况进行分析汇总。同时考虑三种材料拟合程度高的模型主要为Ogden模型与Yeoh模型,分别建立了适用于Ogden模型以及Yeoh模型的气动网格驱动器数学模型。(3)本文采用失蜡铸造的方式,完成了气动网格驱动器的制作。同时完成了弯曲角度测试实验装置的搭建工作,并运用该装置分别完成了气动网格驱动器弯曲角度的测量。将实验测量所得弯曲角度与数学模型计算所得弯曲角度进行对比分析,发现本文建立的气动网格驱动器数学模型在未发生明显气球膨胀效应的情况下成立。(4)提出一个新款气动网格驱动器的设计目标,运用本文建立的气动网格驱动器数学模型进行设计计算,得到了新款气动网格驱动器气腔壁厚的理论值。在制造误差允许的范围内,选择合适的气腔壁厚值,运用失蜡铸造的方式完成新款驱动器的浇铸成型,并对其进行弯曲角度测试,最终得到的测量结果与设计目标要求的弯曲角度相差0.27°,验证了以设计目标为导向的气动驱动器结构逆向求解方法的准确性。
仿果蝇幼虫的多模式软体机器人研究
这是一篇关于软体机器人,果蝇幼虫,控制系统,稳压算法的论文, 主要内容为软体机器人是机器人领域中一类新型机器人,其研究内容主要为机器人的设计与制作,建模以及控制等,涉及新型材料、柔性电子、力学仿生、3D打印等多领域交叉的一项研究,相对于传统机器人,软体机器人具备高灵活性和较强的环境适应能力,弥补了传统机器人在柔韧性和形变能力方面的缺陷。其中爬行类生物因为自身的柔软性和灵活性成为软体机器人研究领域中重要研究对象,但是目前关于爬行软体机器人存在运动方式单一,形变能力有限等问题,本课题通过对果蝇幼虫的生理结构和其运动特性研究,设计了一种仿果蝇幼虫的蠕动爬行软体机器人,该机器人相对其他爬行软体机器人具备更丰富的运动方式和高自由度的形变能力,可实现对蠕动波的仿生,并能够进行前进、后退、转弯以及翻滚等多模式运动,主要内容研究如下:(1)根据果蝇幼虫的肌肉和神经协调运动的特性,设计出一种适用于蠕动爬行机器人的波纹管状气动驱动器,采用3D打印技术以及倒模的方法完成驱动器的制作,并组合多个驱动器组成一个完整的果蝇幼虫软体,同时通过Abaqus仿真软件对波纹管状驱动器进行仿真和实验,验证驱动器对机器人运动的可行性;(2)根据果蝇幼虫由脑部通过神经系统进行肌肉运动的控制链路,设计了一种由主控制器发起指令,副控制器执行指令的一主多副的控制系统,采用传感器等元器件完成硬件系统的设计和构建,同时完成控制系统的软件设计和功能开发;(3)根据机器人运动控制过程中对压力稳定输出的需求,根据压力的控制效果设计了状态转换算法,增量PID算法和神经网络PID三种稳压算法并通过实验验证其控制效果,根据实验结果采用具备自适应能力的神经网络PID算法作为控制系统的稳压算法;(4)根据果蝇幼虫的不同运动模式下的肌肉执行过程,设计果蝇幼虫软体机器人的每个模式运动的肌肉状态变化,通过控制系统控制协调控制每个体节的通道压力,使机器人依次完成每个状态,实现果蝇软体机器人的前进、后退、转弯和翻滚等运动。
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