基于巨电流变液的分段弯曲软体手指结构设计及性能研究

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作为机器人的末端执行件,机械手在机器人与外界环境交互时发挥着重要作用。与传统的刚性机械手不同,软体机械手由柔性材料制成,在面对非结构化环境和人机交互时具有很强的适应性。目前,软体手指通常只能实现常曲率弯曲,不能根据物体的形状大小主动改变弯曲模式,导致在操作物体时效率较低,稳定性较差。针对常曲率弯曲的软体手指的不足,本文基于巨电流变液提出了一种可实现分段弯曲的软体手指。并对软体手指结构参数进行优化,以提高手指性能。最后对比分析了软体手指各种弯曲模式的性能差异,以适应不同的应用场景。论文主要工作如下:(1)分析了现有软体手指分段弯曲技术的优缺点,并结合巨电流变液在电场下可实现固液转换的特性,设计了一种内部嵌有巨电流变阀的软体手指结构。通过调节阀体开闭及液体流向可以控制软体手指实现多种弯曲模式。(2)针对软体手指的结构特点,并结合柔性驱动器的变形情况,提出了软体手指分段弯曲的变形假设。在此基础上,建立了软体手指弯曲角度关于内部压强的数学模型,并分析了在重力作用下软体手指弯曲形态的变化。(3)针对巨电流变液的化学特性,选择了合适的柔性材料。基于有限元仿真分析提出了软体手指内部液体重力的等效方法,并探究软体手指结构参数对其性能的影响规律。在此基础上,根据结构参数对不同性能的影响程度选取合适的优化目标函数,并完成了软体手指的参数优化。(4)基于快速、经济等要求,设计软体手指制作方案,并完成软体手指实物制作。在此基础上,搭建软体手指性能测试平台,对在不同弯曲模式下的软体手指分别进行了弯曲性能、末端力大小以及负载能力测试,探究软体手指各类分段弯曲模式的性能差异。最后将软体手指装配为双指抓手,对各类形状大小的物体进行了抓取实验。研究表明,分段弯曲的软体抓手可以根据物体的大小、形状调整不同的手指弯曲模式,实现有效且稳定的抓取,对于各类应用场景都有很强的适应性。
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