Optimization of Fiber-reinforced Actuator in Soft Wearable Device for Hand Rehabilitation

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软体致动器是软体机器人的执行机构。软体致动器可实现许多创造性的应用,设计工具对高效、系统地研制拥有特定功能的致动器起到至关重要的作用。鉴于气动纤维增强软体致动器能够产生大范围的形变,本文将对其展开研究。本文通过有限元仿真分析优化选取上述致动器的最佳结构参数,介绍工艺流程并通过模拟食指的运动来阐述其工作机理。本文提出的复健手套由软体致动器驱动,该软体致动器由纤维增强弹性空腔组成,在流体压力刺激下可实现复杂的弯曲形变。设计时,软体致动器的结构可贴合手指的运动并起到一定的支撑作用。本文证明了该型软体致动器在加压时可产生显著的驱动力,在未加压状态下具有出色的低阻抗特性。为了评价气动软体致动器结构参数选择合理性,本文将利用ABAQUS对长度(L),内径(d)、基底厚度和腔壁厚度(t)展开分析。对于不同长度的软体致动器,弯曲所需的驱动气压随着长度的增加而降低;当气压一定时,软体致动器的弯曲角度和最大位移随着内径的增大而增加,随着腔壁厚度的增加而减小。综合考虑后续加工的难度和成本,本文选取内径12.7mm,腔体壁厚1.5mm,基底厚度4mm和长度175mm作为理想的结构参数。为实现软体致动器性能的最优化,伸展层选用较软的材料,基层选用较硬的材料。由于硅橡胶材料便宜、易得,且能根据需要获得更高的输出力,因此本文采用的硅橡胶与以前的设计不同。在选定理想的结构参数后,最后将从事软体致动器的制作;但在此之前,需要设计与之适配的模具。本文通过建模软件UG(Unigraphics NX)建立模具的三维模型,并利用3D打印加工成型;然后向模具中浇铸混合后的硅胶,完成软体致动器的制作。
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