气压驱动软体机器人运动研究.pdf

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1、第53卷第13期2017年7月机械工程学报JOI瓜NALOFMECHANICALENGINEERINGVbl．53Jul．No．132017DoI：10．3901，JME．2017．13．014气压驱动软体机器人运动研究术费燕琼庞武于文博(上海交通大学机械与动力工程学院上海200240)摘要：设计了一种气压驱动多气囊软体机器人，其由上方多个相互连通的气囊和位于下方的双层底座及前、后摩擦片组成。气囊充气膨胀，驱使软体机器人产生弯曲，通过设置不同的前、后摩擦片，利用前后摩擦力大小不同，分析了机器人周期性运动过程。采用Yeoh模型，研究

2、了机器人运动过程中的非线性力学特性，得出软体机器人内部充气压强与前进距离之问的非线性关系模型。设计充、放气时间，验证了软体机器人的周期性运动过程。关键词：运动；软体机器人；多气囊；非线性中图分类号：TP242MovementofAir—drivenSoftRobotFEIYanqiongPANGWuYUWenbo(Sch001ofMechanicalEngineering，ShanghaiJiaoTongUniVersi劬Shanghai200240)Abstract：Amuni．airbagair-“vensoRrobotisd

3、esigned，whichconsistsofsevemlconnectedairbagsandat、)lro—layerbasewitha行ont衔ctionalfootandabackone．Therobotwillbendwhentheairbagsareinnated．Wimthedi虢rent衔ctionforces，t11ecyclicalmovementisa11alyzed．WiththeYeohmodel，thenonlineardyn棚icsanalysisofthemovingprocessisfinishe

4、dandthenonlinearrelationshipbetweenmepressllreinsidetheairbagsaIldmefbnVarddistanceofthesoRrobotisobtained．Theinnatinganddenatingthneisdesi鼬edandanexperimentisshowntoveri句thecyclicalmovementofthesoRrobot．Kevwords：movemem；soRrobot；multi—airbag；nonlinear0前言软体机器人由柔韧性材料制成

5、，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸，在侦察、探测、救援及医疗等领域都有广阔的应用前景。与传统的刚性机器人相比，软体机器人有许多优点：对环境具有更好的适应性，通过变形可实现与障碍物的相容【lJ；通过主动变形可使机器人处于不同的形态并实现运动瞄J；主动变形与被动变形相结合，机器人可以穿过比自身常态尺寸小的缝隙，进入传统机器人无法进入的空间【jJ；能够模仿自然界中动物的运动模式，适应人类不能到达的环境，扩大人类的探索领域L4j。在软体机器人中，软体爬行机器人有着自身的优点，国内外研制出的比较有代表性的软体爬行机器人有美国塔夫兹大学研制

6、的GoQBot软体机器人14J，能够像毛毛虫一样具有滚动弹射能力；欧洲“章鱼触手”项目组p‘61开发了可用于水下工作的仿生章鱼触手，并提出了相应的控制方法。在驱动方+国家自然科学基金资助项目(51475300)。20170302收到初稿，20170425收到修改稿式上也各不相同。哈佛大学SHEPHERD等H1设计的多步态软体机器人采用气动一液压驱动方式，将管道嵌入软体机器人内部，形成了驱动．结构一体化；早稻田大学瞄1利用基于B—z化学反应的凝胶驱动特性，使其凝胶体机器人能够自由行走。TuRs大学通过研究毛毛虫的运动设计了一个基于3

7、D打印外壳，内嵌SMA驱动的软体爬行机器人pJ；首尔国立大学的WANG等H叫在尺蠖运动模式的启发下设计了一个仿尺蠖软体爬行机器人，该机器人在前后左右都镶嵌记忆合金，可以实现爬行和转弯；中国科学技术大学设计了一个仿海星软体机器人，该机器人每个角都可以由记忆合金驱动实现弯曲，可以爬行、转弯和翻滚¨j。哈佛大学WEHNER等¨u设计了一个仿生章鱼软体机器人，该机器人全部结构都由软体材料构成，利用机器人体内化学反应产生气体供能，驱动机器人的各个触手运动。目前，软体爬行机器人在一个周期内的运动序列复杂，爬行速度受到限制，为了增加软体爬行机器

8、人的运动速度，本文设计了一种多气囊软体机器人。该机器人相比哈佛大学SHEPHERD等p1设计的多步态软体机器人和韩国首尔大学WANG等【lUJ2017年7月费燕琼等：气压驱动软体机器人运动研究15设计的仿生机器人，有更简单的运动序列，因而具有更快的