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轮足式仿生软体机器人设计与运动分析 | JME论文推荐

姚建涛 等 机械工程学报 2022-04-22

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研究背景及目的


传统机器人大多由刚性结构组成,能够快速、精确、重复地执行任务,在工业、建筑、医疗等诸多领域具有广泛的应用,但其存在结构复杂、灵活度有限、安全性和适应性较差等不足。随着机器人技术的发展,具有较高柔顺灵活性和较强环境适应能力的软体机器人已成为当前机器人领域的研究热点之一。软体机器人研究是仿生学研究的延续,软体机器人采用软体材料或柔性材料加工而成,本身结构具有高度可变性,从原理上具有无限自由度,自身具有良好的安全性和柔顺性。软体机器人可以大幅度弯曲、扭转和伸缩,可以在有限的空间下工作,能够进入传统机器人无法进入的空间,同时软体机器人由于其自身良好的柔顺特性,具有较好的人机交互安全性。


在软体机器人的研究中,软体行走机器人有着自身的优点,可以模仿自然界中各种生物的运动形式,通过主动变形使自身处于不同的运动状态,适应人类无法到达的环境,扩大人类的工作范围和探索领域。


目前,软体行走机器人的行进主要是通过蠕动爬行或多足行走的方式实现的,其行进速度受到限制。为提高软体机器人的行进速度和转向能力,本文设计了一种轮足式双腔结构蠕动软体机器人,将软体机器人软体基体的蠕动运动转化为车轮的旋转运动,进而实现软体机器人的快速行进功能。


试验方法


本文在推导蠕动软体机器人单个运动周期的前进距离与充气气压的关系模型和单腔充气下软体基体转弯角度与充气气压的关系模型时,依据试验数据采用影响系数对关系模型加以修正,并通过二次实验验证分析模型的准确性。在对行进速度进行实验和分析时,通过选取不同的气压值和充放气周期时间,测量蠕动软体机器人通过500 mm的距离所需要的运动时间,进而可以得出蠕动软体机器人的平均速度。在测定仿生软体机器人的最小转弯半径事,通过对制作的软体机器人的左右腔分别充入不同压力的气体(左腔气压大于右腔气压),测量确定软体行走机器人的最小转弯半径。最后,选取了4种较有代表性的不同路况进行了软体机器人的越障能力测试,并加以分析和总结。


法兰盘


键盘爬行


爬坡


速度测试


台阶


直行加转弯


转圈


结果


(1)基于Yeoh模型,推导出蠕动软体机器人单个运动周期的前进距离与充气气压的关系模型和单腔充气下软体基体转弯角度与充气气压的关系模型,依据试验数据采用影响系数对关系模型加以修正,并对修正后的关系模型加以分析与总结。


软体基体弯曲角度 与充气气压 的关系模型为



单次运动周期前进位移s与气压的关系模型为


(2)针对蠕动软体机器人的行进速度和最小转弯两项运动性能参数展开试验与分析,测试表明,轮足式蠕动机器人在充气气压为0.046 MPa,充放气时间为0.25 s时,行进速度达到最快,为127.88 mm/s,较目前软体机器人的行走速度由较大的提升。最小转弯半径为109 mm,具有较好的运动灵活性。


(3)选取了4种较有代表性的不同路况进行越障能力测试,测试结果表明:蠕动机器人的越障能力受到气压的影响和车轮结构、尺寸的限制。气压值的大小影响着蠕动机器人的行进能力,而车轮的结构、尺寸直接决定了蠕动机器人的通过能力。试验测试表明:蠕动机器人能越过障碍物的高度约为车轮直径的二分之一。


结论


本文基于自然界中弯曲蠕虫的运动原理,借鉴弯曲蠕虫的结构特点,设计了一种双腔结构的仿生轮足式蠕动软体机器人,通过双腔的气压值的控制和周期性的充放气可以实现软体机蠕动器人的直线行进和转向行驶运动。


基于Yeoh模型,推导出蠕动软体机器人单个运动周期的前进距离与充气气压的关系模型和单腔充气下软体基体转弯角度与充气气压的关系模型,依据试验数据采用影响系数对关系模型加以修正,并对修正后的关系模型加以分析与总结,为软体机器人的设计与分析提供一定的理论参考。


针对蠕动软体机器人的行进速度和最小转弯两项运动性能参数展开试验与分析,测试表明,轮足式蠕动机器人在充气气压为0.046 MPa,充放气时间为0.25 s时,行进速度达到最快,为127.88mm/s,较目前软体机器人的行走速度由较大的提升。最小转弯半径为109 mm,具有较好的运动灵活性。


前景与应用


轮足式仿生软体机器人在保持软体蠕动机器人柔顺灵巧、运动灵活,环境适应性强等性能优点的同时,引入轮足式设计,可以提高软体机器人的行进速度。此外,通过对车轮的变构态设计可以提高其越障能力,使软体机器人在平缓路面上可以快速行进,在崎岖路面上可以大幅度弯曲、扭转和伸缩,可以在有限空间下工作,进入人类无法到达的环境,在救援救灾领域具有较大的应用价值。与此同时,轮足式软体机器人具有良好的柔顺性和人机交互安全性,其运动灵活,蠕动爬行运动方式具有良好的趣味性,在玩具机器人领域具有较大的发展前景和市场潜力。


本文已刊登在《机械工程学报》2019年第5期,如需了解更多信息请点击文后“阅读原文”。


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作者介绍


姚建涛,教授,主要从事软体机器人理论及应用、柔性力感知机构机理与测控理论研究及应用、并联机构理论及可靠性影响作用机理、多轴驱动装备构型设计与机电集成技术等领域理论研究及技术研发工作。


在基础理论研究方面,建立了系统的面向容错特性的六维力感知机构理论和技术体系,提出了基于大力承载和微力测量理念的重载多维力感知理论,提出数种刚柔装配式、全柔一体式、大变形柔性软体式力感知和抓持机构新构型;形成了较为系统的并联机构各向同性设计理论,提出了基于整体刚度解析的过约束并联机构受力分析新方法,探索开展了机器人机构、航天机构真实运动副在轨服役环境、各种工况条件下的可靠性影响因素、规律。


近年来,紧跟重大装备需求,在机构原始创新、机电集成、重型装备研发的基础理论及应用等方面开展了一系列工作,相关成果在中电集团54所、海军91404部队等单位得到应用。主持承担了某舰载稳定平台的研制和保障任务,协助海军某部完成重大联合训练任务。主持完成某无交连天线创新设计与研发,为战斗机用雷达天线提供了新构型和新技术。发明了多种用于空间站的可折叠电柜。创新的将容错理念引入六维测力技术,建立了容错六维力传感器理论和技术体系,为航天、国防等领域高可靠检测提供了新途径。发展了大量程大测力板六维力传感器各向同性设计理论,发明了多种完全各向同性构型,解决了长期存在的各向同性难题。主研成功上海65米射电望远镜副反射面精调机构,实现了天线高运动精度、严苛环境适应性及工作可靠性的要求。参与研发世界第一大单口径500米射电望远镜(FAST)的核心部件馈源舱系统,为方案确定、机构分析、力学建模、特性仿真等提供了有力的理论指导和技术支撑;参与研发中国一重集团集大型高精度变位机、超声波探伤机器人、大型180度翻转机于一体的核电关键部件制造成套辅助装备,为提升核电产品的制造能力起到推动作用。参与研制国家交通战备局可实现自主登离飞机的大型可变形态装卸机器人,为我国大型飞机的运输应急提供了重要保障。


近年来,主持国家自然科学面上项目1项,国家自然科学基金青年科学基金项目1项,主持国家重大基础研究计划973子课题1项,主持河北省自然科学基金2项,教育部博士点基金1项,军口863子课题1项,河北省高等学校自然科学优秀青年基金项目1项,主持纵向省部级专用项目2项、主持企业新技术合作等项目6项,参与完成国家自然科学基金、国家重大科技专项等国家级项目2项,河北省自然科学基金等省部级项目2项。发表学术论文80篇,其中SCI收录29篇,EI收录51篇;获得国家专利79项(已授权),其中发明专利50项,实用新型专利29项。目前担任国际电气和电子工程师协会(IEEE)会员、机械工程学会高级会员,担任国际著名传感器杂志、国际著名机械学杂志、国内权威期刊“机械工程学报”和 “振动与冲击”等期刊论文审稿专家。2015年入选燕山大学新锐工程人才和河北省新世纪“三三三人才工程”第三层次人选,2015、2016和2017年度机械工程学报优秀审稿专家,2016年评为机械工业优秀科技工作者,2017年获“河北省模范教师”。

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