磁控仿尺蠖双向运动软体机器人设计与运动性能研究

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随着科技的进步,机器人在生活中发挥着越来越大的作用,科研工作者从仿生角度对软机器人进行了深入研究,使得软体机器人在生物医学领域、空间探测领域以及搜索救援领域逐渐发挥着不可代替的作用。磁驱动的方式由于其特殊性受到越来越多的重视,磁驱动具有响应迅速、无需绳索线路连接、适用性强的特点,可以极大的提升软体机器人的适用范围。目前公开报道的磁软机器人只能完成单向可控运动,双向可控运动能力的缺失极大地限制了软机器人的应用,因此本文研究了基于磁驱动具备双向运动能力的仿尺蠖软体机器人,包括软体机器人的制动器选择、设计方案分析、运动机制分析以及运动性能实验测试分析等。本文具体工作如下:首先,针对软体机器人设计需求,分析了两种常用的磁膜制备方法的优缺点,选择了磁膜磁性能会更强的混合型制备方式;实验探究了不同结构参数对磁感应强度的影响,针对出现的反极性问题,提出了优化方法;设计了亥姆霍兹线圈系统并进行了性能表征;应用亥姆霍兹线圈系统测试了各种参数下的柔性磁膜制动器磁性能、驱动性能,选取了兼具最佳磁性能与柔韧性的磁膜作为最终的机器人制动器。其次,针对机器人结构设计问题,对尺蠖的运动模式进行分析,并根据尺蠖运动特点提出了具有双向运动能力的软体机器人的设计方案,得益于机器人特殊的腿部结构设计,该机器人理论上可以实现双向运动;并从准静态、运动机制和有限元仿真几个方面对设计方案的可行性进行了验证分析,结构设计完成后可通过改变磁场控制规律,使该软体机器人实现双向运动;而后设计了稳定可控的电磁铁驱动系统,用以对软体机器人进行实验测试。最后,针对该机器人的双向运动性能,开展了结构参数与驱动参数对机器人空载时双向运动性能影响的实验测试;实验分析了机器人在多种负载情况下的运动性能,并提出改善机器人极限负载情况下运动性能的方法;实验分析了机器人在多种空间环境内的运动性能;验证了本文设计出的软体机器人具备稳定地双向运动性能,并且运动性能良好,适用性强。进行了搭载摄像头的实验测试,为今后的潜在应用奠定基础。
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