气动网格软体驱动器内部压力分析与应用

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气动软体驱动器由于安全性高、环境适应能力强、无污染的特点,已成为软体机器人使用最为广泛的驱动器之一,在空间探索、搜救系统、仿生学、医学手术和康复等领域都有较高的应用潜力。现有关于软体驱动器的研究集中于建立运动学模型对驱动器的运动进行预测,没有考虑驱动器运动过程中内部压力的变化。为了探究驱动器运动过程中内部压力的变化,将驱动器简化为弹性圆管推导了其内部气体流动的控制方程,分析了不同结构参数下的驱动器内部压力变化对运动的影响。主要内容如下:为了探究驱动器内部压力的变化对其运动的影响,将驱动器简化为弹性圆管推导了驱动器内部气体流动的控制方程,通过求解控制方程得到了驱动器内部的压力变化,结果表明,驱动器内部的压力分布不均匀,并且靠近入口处的压力瞬时增大,沿着流向方向逐渐减小,内部压力随着充气时间逐渐上升并达到稳定状态。分析了在该压力变化下驱动器的运动,分析结果表明,内部压力的动态变化将影响驱动器的弯曲运动,并且在驱动器弯曲运动过程中存在明显的延迟现象。为了探究在不同结构参数下的驱动器内部压力变化对运动的影响,对不同管道半径以及管道长度的驱动器内部压力变化进行了分析,分析结果表明当加压气体通过较大管径时,驱动器内部的压力上升速度快,但是当加压气体通过较小的管道时,其内部粘性阻力急剧增加,将阻碍气体在管道内的流动,内部压力上升速度减慢,并且分析了不同的压力变化下对驱动器运动的影响。制作驱动器样机进行验证实验,实验结果表明,驱动器完成运动所需的时间与管道半径成反比,与管道长度成正比,其中管道半径为主要影响因素。利用驱动器管道半径越小,驱动器运动速度越慢的特性,设计了一种仿手指三关节软体驱动器。通过调节驱动器内部管道的半径,延迟各个关节内压力达到稳定的时间,实现了三个关节的顺序弯曲运动。实验表明,顺序弯曲能够提高软体驱动器的适应性,降低软体驱动器的末端输出力。利用三关节软体驱动器,制备了一个能够在单输入源作用下实现各手指顺序弯曲的软体手。利用驱动器末端力降低和顺序弯曲的特点,实现了对柔软物体(面包)的无损稳定抓取。对比了在不同频率的气压下软体驱动器的弯曲运动,发现随着频率的升高,驱动器的弯曲运动角度也随之减小,当频率在5.0Hz以上时,驱动器的弯曲运动的角度非常小,并以极快的速度在该频率下进行振动。分析了管道半径大小的影响,在相同频率的气压下,在频率小于2Hz时,大管径弯曲速度快;在频率大于2Hz时,小管径弯曲速度快。利用该特性设计了一种软体爬行机器人,在输入气压为50k Pa和频率为1Hz时,体长80mm、管径为0.5mm的机器人的爬行100mm只需7.1s,实验表明可以通过改变输入气压的频率提高机器人爬行的速度。
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