可重构软体模块化机器人研制及其运动控制研究.pdf

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1、硕士学位论文可重构软体模块化机器人研制及其运动控制研究DEVELOPMENTANDMOTIONCONTROLSTRATEGYRESEARCHOFSOFTRECONFIGURABLEMODULARROBOTS王羽麟哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文可重构软体模块化机器人研制及其运动控制研究硕士研究生：王羽麟导师：赵学森副教授申请学位：工学硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大

2、学ClassifiedIndex:TP242.3SchoolCode:10213U.D.C:621Privacy:PubicDissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDEVELOPMENTANDMOTIONCONTROLSTRATEGYRESEARCHOFSOFTRECONFIGURABLEMODULARROBOTSCandidate：WangYulinSupervisor：Asso.Prof.ZhaoXuesenAcademicDegreeAppliedfor：MasterofE

3、ngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018University：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着科技进步和社会发展，人们对机器人提出了更高的需求，作为一种具有高度互换性、灵活性的机器人形态，模块化机器人应运而生。模块化机器人概念诞生于二十世纪九十年代。模块化机器人由

4、众多结构相同功能相近的模块单元组成，通过改变模块间的连接状态，可以便捷的组成多种构型的机器人，执行多种操作任务，满足多样化作业要求。自产生以来，模块化机器人蓬勃发展，然而截至目前大部分研究仍围绕刚性模块单元展开。近年来，人们逐渐意识到纯刚性模块单元在环境柔顺适应方面的弊端，并将目光聚焦到模块化理念与软体机器人相结合上。软体材料与模块化理念相结合，增加了模块化机器人的环境柔顺性，极大地扩展了模块化机器人应用范围。软体模块化机器人在医疗操作，深空探测，探险救援等方面都具备极大的应用前景。作为一种新兴形式机器人，软体模块化机器人在

5、结构设计、单元建模、模块单体运动控制、机器人整体功能规划等方面还面临着诸多难题亟待解决。本文主要涉及一种可重构软体模块化机器人研制及其运动控制研究，设计出一款可重构气动软体模块单元，并针对模块单元动力学建模、气压闭环反馈控制、机器人整体行为调控等难题提出了解决思路。首先，研制出一款可实现空间弯曲的气动软体模块单元。基于软体材料通过局部应变差产生弯曲原理，设计了硅胶材料主变形体结构，可实现模块单元空间弯曲运动。利用减速电机，设计出电控内置气路阀，实现了对软体模块单元气腔通断控制，实现了气腔充放气及压力保持。设计了模块单元快速连

6、接结构，可在实现连接的同时导通模块气室。基于Workbench仿真，对气腔形态及尺寸进行构型优选。制定出软体模块单元的制造工艺，实现了软体模块单元批量化生产。其次，建立了软体模块单元控制系统。搭建软体模块化机器人气动实验平台，完成气压传感器、气泵等选型工作。设计驱动芯片，采用气泵与电磁阀联合控制方式为模块化机器人供气。基于增量式PID控制原理，实现了气压闭环反馈控制。基于信号无线传输，实现了对软体模块单元的无线控制。再次，研究了软体模块单元的动力学建模。基于Mooney-Rivlin模型对硅胶材料进行建模，求解软体模块单元变

7、形能。基于能量守恒原理，建立单腔驱动状态气压与模块行为姿态间对应关系。基于等效径向力叠加思想，研究了三-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文腔联合驱动状态气压与模块行为姿态对应关系。之后设计出模块行为姿态测量平台，对单腔驱动状态与三腔联合驱动状态进行了动力学实验分析。基于实验结果，实现了软体模块单元动力学模型建立。最后，对本文所研制的模块化机器人进行了实验验证。针对模块单体，分别研究单腔驱动状态与三腔联合驱动状态下模块的运动形式。随后，基于模块间不同的连接状态，设计组装钩爪构型、夹取构型、五指构型等多款模块化机器人构型，并针对

8、各款典型构型进行了操作手势探究与实验展示。关键词：模块化机器人；软体机器人；可重构；气动；空间弯曲-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofsocietyandtheimprovementoftechnology,peoplefindhi