健身能改变人的什么? - 知乎32975被浏览分享邀请回答11K1423 条评论分享收藏感谢收起6.3K528 条评论分享收藏感谢收起查看更多回答35 个回答被折叠（）人疲劳时会有什么变化？_百度拇指医生
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?人疲劳时会有什么变化？
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体的疲劳征状主要体现在人体的三大系统中，其一，是神经系统的疲劳；其二，是心血管系统的疲劳；其三，是骨骼肌的疲劳。这些由于运动引起机体生理生化改变而导致机体运动能力暂时降低的现象就是所谓的运动性疲劳。一般来说，过度的运动首先引起骨骼肌系统的疲劳，之后方能引发神经系统和心血管系统的疲劳。从人体生理学上讲，疲劳是机体发出的一种保护性反应，它的出现是提醒人们要注意减低目前的身体活动强度或者必须终止目前的身体活动。经常性的疲劳会使人们进入亚健康状态，甚至引发机体进一步的损伤。因此，长期以来努力了解产生疲劳的原因及寻找疲劳恢复的方法，一直是体育运动界人士的研究重点。
疲劳的产生主要是运动过程中体内能源物质大量消耗而得不到及时补充。例如，在短时间、大强度运动中，高能磷酸物三磷酸腺苷（ATP）和磷酸肌酸（CP）明显下降；在中等强度、长时间的运动中，血糖含量下降是主要原因；在长时间运动中，体内糖原消耗大。
运动过程中某些代谢产物在体内大量堆积而又不能及时消除，从而影响体内的正常代谢，造成运动能力下降。例如，乳酸在体内堆积。
运动中离子代谢紊乱可导致运动性骨骼肌疲劳，与运动性疲劳密切相关的离子有钙离子、钾离子、镁离子。
一般来说，心率加快会升高血压，其实这两者不能横向比较，要真是比较变化明显的话，脉搏变化会明显一些
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具有多运动模式的可变形软体机器人研究
料W省桌六 University of Science and Technology of China 博士学位论义 ?. . s ‘ : ?. 论文题目 具有多逍动模式的 可支形趺体 I 人研免 作者姓名 牡 另学科专业 精#仪及?机械 导师姓名 杨杰教提张世武到教提完成时间 二一三年六月 肀(S 科摩裁水大摩 博士学位论文 具有多运动模式的 可变形软体机器人研究 作者姓名: 杜勇 学科专业: 精密仪器及机械 导师姓名:杨杰教授,张世武副教授 完成时间: 二?一三年五月二日 University of Science and Technology of China A dissertation for doctor's degreeThe research on the deformable soft robot with multi-locomotion modes Author's Name: Yong Du Specialit: Precision Instrumentation and Machinery Supervisor: Prof. Jie Yang, Asso.Prof. Shiwu Zhang Finished time: May 2nd, 2013 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研宄工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研宄成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名:柄 签字日期: 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入《中 国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口保密(__年) 作者签名:iif 签字日期:(J- in - (o 导师签名:签字日期: 、k 摘要 摘要 具有无限自由度和连续变形能力,可在大范围内任意改变自身形状和尺寸的软体动 物在自然界中具有极强的适应能力。发展具备类似能力的仿生软体机器人,一直是各国 研究人员的目标。作为对仿生机器人研究的延续,仿生软体机器人通过主动变形和被动 变形的结合使其具有出色的运动灵活性和对复杂环境的相容性,在军事、科研、医疗等 领域具有广泛的应用前景。 针对当前仿生软体机器人存在运动模式单一,运动效率和环境适应能力不能有效兼 顾的问题,本论文以能实现三种运动模式的仿生软体机器人为研究对象,围绕着仿生软 体机器人三种运动模式的实现机制,开展了仿生软体机器人多运动模式实现原理研究, 仿生软体机器人整体结构设计研究,仿生软体机器人运动特性研究以及内嵌 SMA 丝的 平板弯曲驱动器动态特性研究等工作。论文的主要研究内容和成果如下: (1)通过分析自然界中各种软体动物的运动特点,在已有研究工作的基础上,结合形 状记忆合金的特性,设计了一种将滚动运动、蠕动运动和 Q 型运动方式集合在一 起的可变形仿生软体机器人。在平坦路面上,通过自身的柔性变形推动仿生软体 机器人向前滚动运动,以提高其运动速度和运动效率;在通过狭小空间时,身体 展开采用蠕动运动以提高通过性;而遇到沟壑或者障碍时,身体变形用 Q 型前 进提高其越障能力。通过对仿生软体机器人的三种运动模式进行详细的研究,获 得了软体机器人实现三种运动模式的运动机理,然后在此基础上完成了软体机器 人的总体方案设计。软体机器人采用模块化的设计思想,由运动单元和分离单元 组成。每个运动单元包括了偏转单元和蠕动单元,设计了软体机器人的偏转单元 和蠕动运动单元以及头尾连接结构。 (2)利用多刚体运动学仿真软件 ADAMS 对仿生软体机器人两种典型的运动模式,滚 动运动和蠕动运动,进行运动学的仿真分析。基于伪刚体模型建立了仿生软体机器人在 ADAMS 中的滚动仿真模型,通过调整弹簧力的施加时序,使得机器人的 滚动达到最优,获得了仿生软体机器人在 X 轴方向(滚动方向)和 Y 轴方向(垂 直于滚动运动方向)的运动位移和速度曲线图,给出了仿生软体机器人滚动运动 的控制策略。建立了软体机器人在 ADAMS 中的蠕动运动仿真模型,采用微型锯 齿结构来模拟仿生刚毛结构和粗糙的地面,获得了软体机器人在 X 轴方向(蠕动 运动方向)上的运动位移和速度曲线图,并分析了运动特性。利用实验室现有的 材料和设备,加工一个仿生软体机器人的原理样机,米用 AB 胶来粘结软体机器 人的各个运动单元,简化了软体机器人的结构,设计了可同时控制 24 路 SMA 偏 转驱动器的仿生软体机器人运动控制系统。验证了采用粘结的方式连接仿生软体 机器人头尾可以从环形运动状态转换到直线运动状态,以及通过实验的方法对软 I 摘要 体机器人的滚动运动特性进行了研究(机器人可以在 6s 的内可以滚动 160mm) (3) 基于三维空间力系平衡关系,分别建立了 SMA 线性致动器的力学平衡方程和弹性基板的力平衡方程和力矩平衡方程,综合 SMA 线性致动器的平衡方程和弹性 基板的平衡方程即可获得平板弯曲驱动器的动力学平衡方程,并引入 SMA 本构 方程和 SMA 热力学平衡方程,在已知平板驱动器各个参数的情况下,使得平板 弯曲驱动器的偏转过程可以被有效的预测出来。 (4)对 SMA 准静态热/力耦合特性、动态热/力耦合特性及本构模型进行了详细的实 验研究,并重点研究了 SMA 丝在不同应力条件下相变温度随应变的变化而改变 的特性以及不同应变速率情况下的应力-应变特性。基于 SMA 具有输出力大、变 形大、较高功重比、低电压驱动和寿命长的特性,设计了性能稳定且可靠的内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器,并通过仿真和实验对其偏转特性进行详细的研究。 通过仿真和实验结果的对比,验证了平板驱动器力学模型的正确性,同时发现平 板弯曲驱动器的偏转角度和输出弯矩有着近似的线性关系,并且用脉冲电流对 SMA 丝加热的方式可以有效的提高驱动器的输出效率。关键词:仿生软体机器人,形状记忆合金,内嵌式平板弯曲驱动器,滚动运动,蠕动运 动,仿尺蠖运动 II Abstract Abstract With infinite degrees of freedom and continuous deformation capacity,the mollusks can arbitrarily change their shapes and sizes so that they have a strong ability to adapt to the natural environment. Developed the bionic robot with similar biological ability is the target for the researchers from all over the world. As a continuation of the bio-robot research, the bionic soft robots have an excellent flexibility and compatibility to the complex environment, through the combination of active deformation and passive deformation. This type of robots has broad application prospects in the military, scientific research, medical and other fields. The bionic soft robot has the problem that the movement pattern is very single, the movement efficiency and the environmental adaptability can not effectively take into account. In order to solve this problem, this thesis takes the soft robot which has three locomotion modes as the research object. Surrounding the implementation mechanisms for accomplishing the multi-locomotion modes,this dissertation carried out the reasearch of multi-locomotion modes bionic implementation principle, the study of how to implementate the bionic soft robot overall structure, the reasearch of the dynamic characteristics of the plannar bending actuator embedded SMA wire and the study of the motion characteristics of the bionic soft robot, etc. The main research contents and contributions of this paper are listed as follows: (1) By analysis of the movement characteristics of the nature mollusks,a bionic soft robotwhich has rolling motion, peristaltic movements and omega-type motion is designed based on the existing research work and combination of the characteristics of the shape memory alloy. On a flat road, the bionic soft robot uses the rolling movement to improve the movement speed and movement efficiency through the
the body is expanded to use the peristaltic movement to improve the ablitiy of through the narrow
when the soft robot encountered the obstacles, the body deformation using the Omega-type forward way to improve the ability of through the obstacles. By the detailed study of the three kinds of movement modes, the motion mechanism which achieves three loconmotion modes is obtained and then completed the design of the overall structures of the soft robots according to the front analysis. The soft robot is designed based on the modular concept and it consists of movement unit and separation unit. Each movement unit is comprised by a deflection unit and a peristaltic unit, the design of the deflection unit、the peristaltic movement unit and the head and tail connection structure is detailed designed. (2) The kinematics simulation of the two typical movement patterns of the soft robot, theill Abstract rolling locomotion and peristaltic movement, are analysed using powerful many-body dynamics emulation software ADAMS. Based on the pseudo-rigid model,the simulation model of the rolling motion of the soft robot in ADAMS is bulilt,by adjusting the control sequence of the spring force to achieve the optimal the rolling speed and obtained the displacement and velocity curve of the rolling movement of the soft robot in X axis and Y axis direction, the control strategy of the rolling motion is given. The simulation model of the peristaltic movement of the soft robot in ADAMS is established by using the micro-sawtooth structure to simulate the bionic seta structure and rough ground, obtained the displacement and velocity curve of the peristaltic movement of the soft robot in X axis direction and analyze the movement characteristics. The movement state transitions and the rolling motion of the softrobot are studied through the experiment method on the basis of the robot structure design and kinematics simulation. The prototype of the soft robot is made by using the existing experimental materials and equipment, the motion unit of the soft robot is bonded by AB glue to simplify the structure of the soft robot,the control system of the bionic soft robot is designed which can simultaneously control the motion of24 SMA bent actuator. Verified the feasibility that the bonding method to connect the head and tail of the soft robot can convert from the annular state to the linear motion, and the characteristics of the rolling motion are studied by the experiment method (the soft robot can scroll 160mm in 6s). (3) Based on the three-dimensional space force system, the mechanical equilibrium of theSMA linear actuator and the dynamic equilibrium equation of the elastic substrate is established,and the SMA constitutive equations and the thermodynamic equilibrium equation is introduced to give the detailed dynamic model of the plannar bending actuator embedded SMA wires, so the deflection process of the plannar bending acuator can be effectively predicted. (4) The quasi-static thermal/mechanical characteristics and the dynamic thermal/mechanicalcharacteristics are detailed study by the experimental, and the research emphasis focused on the characteristics of the change of the phase transition temperature of the SMA wires in different stress conditions and gives the stress - strain characteristics on different train rate. Due to the SMA have characteristics of the large output power and deformation, higher power-weight ratio, low-voltage drive and long life, the plannar bending actuator embedded SMA wires which has stable and reliable performance is designed, and the driving characteristics is detailed study through simulation and experimental to verify the correctness of the mechanical equations. And frome the experimental result, we found that IV Abstract the output angle and output moment of the actuator has a linear relationship, and useing the big pulse current heating method can effectively improve the efficiency of the actuator. Key Words: Bionic Soft R Shape Memory A Plannar Bending A Rolling M Peristalsis M Omega Movement. 目录 m^ IAbstractIll 1 1第一章绪论1.1 研究背景及意义1.2 仿生软体机器人的基本概念和分类 3 1.2.1 各类机器人的特性比较 3 1.2.2 仿生软体机器人的结构分类 6 1.2.3 仿生软体机器人的驱动方式 8 1.2.4 仿生软体机器人的典型运动模式 10 1.2.5 仿生软体机器人的建模与控制 13 1.3 仿生软体机器人的研究进展及启示 14 1.3.1 仿生软体机器人的研究现状 14 1.3.2 仿生软体机器人存在的问题及启示 21 1.4 论文研究内容和组织结构 21 1.4.1 论文组织结构 21 1.4.2 论文研究内容 23 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 25 2.1 mm 252.2 仿生软体机器人的运动模式 25 2.2.1 软体机器人运动机理25 2.2.2 可实现三种运动模式软体机器人的运动机制 27 2.3 软体机器人的结构实现 28 2.3.1 总体结构方案设计 28 2.3.2 软体机器人弯曲驱动器设计 29 2.3.3 蠕动运动单元结构设计 31 2.3.4 头尾连接机构设计 32 2.4 本章小结 32第三章仿生软体机器人运动学仿真和实验研究 35 3.1 前言 353.2 仿生软体机器人的滚动运动仿真 35 VII 3.2.1 仿生软体机器人的仿真基础 35 3.2.2 滚动运动的模型建立 37 3.2.3 滚动运动的仿真结果分析 38 3.3 仿生软体机器人的蠕动运动仿真 40 3.3.1 蠕动运动w型建立 40 3.3.2 蠕动运动的仿真结果分析 42 3.4 仿生软体机器人运动控制系统设计 433.5 仿生软体机器人运动实验 45 3.5.1 仿生软体机器人制作 45 3.5.2 48 3.5.3 仿生软体机器人滚动运动实验 49 3.6 本章小结 49第四章内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器的力学模型 51 4.1 BU &g 514.2 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器的力学建模 51 4.3 SMA 丝本构方程 55 SMA 丝热平衡方程 63 644.44.5 本章小结第五章内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器的仿真和实验研究 65 5.1 前言 5.2 65SMA 智能材料的动态特性研究 655.2.1 SMA 丝的形状记忆效应 65 5.2.2 SMA 丝热力耦合特性 70 5.2.3 SMA 丝动态加载 73 5.3 平板弯曲驱动器的数值仿真 745.3.1 数值仿真参数 74 5.3.2 数值仿真方法及软件 76 5.3.3 数值仿真H分析 76 5.4 平板弯曲驱动器的特性实验 80 5.4.1 平板弯曲驱动器的加工 80 5.4.2 平板弯曲驱动器的特性实验结果分析 82 5.5 本章小结 87第六章总结与展望 89 VIII 6.1 全文总结 6.2 全文展望89 90在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果 103 致:i 射 IX % 图目录 图 1.1 基于材料和自由度的机器人的分类 2 图 1.2 软机器人和刚性机器人性能对比[31] 4 图 1.3 软体机械臂变形示意图 5 图 1.4 仿毛毛虫机器人及结构示意图[5】 7 105图 1.5 章鱼触手肌肉结构示意图[31] 7 图 1.6 仿章鱼触手结构的人工肌肉[31] 7 图 1.7 气动运动链机器人[31] 8 图 1.8 蠕动跳动机器人[53] 8 图 1.9 ChiMERA 软体机器人[31] 9 图 1.10 ChiMERA 软体机器人运动机理[31] 10 图 1.11 ChiMERA 软体机器人通过狭小的缝隙 10 图 1.12 仿生尺蠖化学机器人[5] 10 图 1.13 采用蠕动运动的仿生机器蛇与仿生蚯蚓 11 图 1.14 尺蠖运动和仿生尺蠖机器人 11 图 1.15 几种典型的具有滚动运动能力的生物 12 图 1.16 几种典型的具有滚动运动机器人 12 图 1.17 ―些典型的具有软体结构的生物[74] 14 图 1.18 仿毛虫软体机器人[78] 15 图 1.19 仿生蚯蚓机器人[74] 16 图 1.20 仿毛毛虫机器人 GoQBot[74] 17 图 1.21 仿生章鱼机器人[78] 18图 1.22 基于柔性材料而最新研制的仿生软体机器人[78] 19 图 1.23 化学机器人 ChemBots 20 图 1.24 论文的组织结构 22 图 2.1 蚯蚓的运动示意图[123] 26 图 2.2 尺蠖的两种运动方式 26 图 2.3 软体机器人滚动运动原理示意图 27 图 2.4 软体机器人两种状态切换 28 图 2.5 软体机器人三种运动模式 28 图 2.6 变形机器人的三种运动姿态 29 图 2.7 仿生软体机器人总体结构图 29 XI 图 2.8 偏转单元的三个偏转状态 29 图 2.9 差动式 SMA 片弯曲偏转单元结构图 30 图 2.10 内嵌式弯曲偏转单元结构图 30 图 2.11 蠕动运动单元两种结构方案 31 图 2.12 蜂窝结构的有限元分析图 32 图 2.13 软体机器人头尾连接机构 32 图 3.1 大变形柔性杆件的伪刚体模型36 图 3.2 软体机器人滚动运动的 ADAMS 仿真模型 37 图 3.3 弹簧力的施加位置和控制时序 37 图 3.4 软体机器人滚动运动的仿真时序图 38 图 3.5 软体机器人的质心在 X 轴方向的运动位移和速度 38 图 3.6 软体机器人的质心在 Y 轴方向的运动位移和速度 39 图 3.7 软体机器人的质心在 X 轴、Y 轴及 Z 轴方向的运动位移 40 图 3.8 软体机器人的蠕动运动的仿真模型 41 图 3.9 蜂窝结构的位移和载荷关系实验图 41 图 3.10 粗糙地面和仿生刚毛仿真示意图 42 图 3.11 软体机器人的质心在 X 轴方向的运动位移蠕动 42 图 3.12 硬件控制系统的总体设计示意图 43 图 3.13 软体机器人控制系统主控芯片及外围电路设计 44 图 3.14 SMA 驱动电路设计 45 图 3.15 稳压电源模块的设计 45 图 3.16 SMA 片热处理流程图 46 图 3.17 SMA 片热处理具体工艺 47 图 3.18 仿生软体机器人的组成构件47 图 3.19 仿生软体机器人原理样机 48 图 3.20 仿生软体机器人头尾分离实验 48 图 3.21 仿生软体机器人滚动运动实验 49 图 4.1 内嵌单根单程记忆效应 SMA 丝的平板弯曲驱动器示意图 52 图 4.2 不同本构模型下 SMA 的应力-温度曲线图 62 图 4.3 弹性基板弯曲示意图 63 图 5.1 SMA 相变特性示意图 65 图 5.2 形状记忆合金和普通金属本构关系示意图 66 图 5.3 示差扫描量热分析系统及其测量结构原理示意图 67 XII 图 5.4 各种规格的 Ti-Ni 形状记忆合金丝的 DSC 实验曲线图 69 图 5.5 动态机械热分析仪 71 图 5.6 DMA 测量曲线图 71 图 5.7 不同应力条件的 DMA 测量曲线图 72 图 5.8 在不同应力条件下相变温度测量分析结果 72 图 5.9 不同应力条件下的应力应变曲线图 73 图 5.10 SMA 丝在不同预拉伸率下驱动电压和输出角度关系 78图 5.11 不同丝径的 SMA 丝的驱动电压下和偏转角度关系图 78 图 5.12 内嵌 0.2mmSMA 丝的平板弯曲驱动器驱动时间和偏转角度关系图........79 图 5.13 在相同热量下 SMA 的通电时间和驱动器偏转角度之间的关系 图 5.14 .内嵌单根双股 SMA 丝的平板弯曲驱动器的结构示意图 81 图 5.15 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器的加工流程图 82 图 5.16 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器实物图 82 图 5.17 不用预拉伸率下驱动电压和驱动器输出角度关系图 83 图 5.18 不同直径的 SMA 丝驱动电压和驱动器输出角度的关系图 84 图 5.19 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器通电时间和驱动输出角度的关系图.......84 图 5.20 在相同热量下 SMA 的通电时间和驱动器偏转角度之间的关系 图 5.21 平板弯曲驱动器驱动电压和输出最大弯矩的关系图 85 图 5.22 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器偏转角度和驱动器输出弯矩的关系图...86 图 5.23 相同热量下通电时间和驱动器输出弯矩关系图 87 XIII 表目录 表 1.1 各种机器人特性和功能比较 4 表 1.2 各种驱动器特性和功能比较 9 表 1.3 三种运动模式特性比较 13 表 1.4 国内外仿生软体机器人研究现状 20 表 5.1 各种规格的 Ti-Ni 形状记忆合金丝的 DSC 测量结果 69 85 79表 5.2 SMA 丝密度测量 74 表 5.3 平板弯曲驱动器的仿真的所有参数 75 XV fl 第一章绪论 第一章绪论 1.1 研究背景及意义 智能机器人是人类历史上的重要发明,它的出现极大地改变了人类发展的历程,提 高了生产的效率和生活的质量。随着智能结构、智能传感和控制以及智能材料等技术的 日益发展,机器人的研究领域也逐步的扩展,已从最初的工业生产型机器人转入其他各 个领域的机器人。包括可提高家庭生活便利的服务机器人,可承担各种危险任务的战场 机器人、可为医生和病人服务的医疗机器人、可在外太空、深海、核环境等适应极端的 环境中代替人类的特种机器人等[M]。智能机器人的出现产生了巨大的经济和社会效益, 极大的促进了人类社会的发展和进步。 如图 1.1 所示,根据机器人所利用的结构和材料的不同,机器人可以被分为刚性机 器 A^,连续体机器人以及柔性机器人传统的刚性机器人最初是从哺乳动物身上获 得启发而研制的,其身体由多段刚性结构通过刚性的运动副连接构成,运动副的运动多 用电机、液压等驱动器来驱动,每个运动副可以提供平动或转动自由度通过对 运动副伺服控制既可让机器人产生我们想要的运动轨迹。刚性机器人的控制相对比较简 单;而且由于其力学模型很容易建立,所以定位相对比较精确;由于机器人的结构是刚 性的,承载能力是这三类机器人中最大的。正是由于刚性机器人具有以上的优点,人们 对其研究也比较透彻,性能也比较稳定,已经在各个领域取得巨大成功的刚性机器人, 其刚性结构和有限自由度却限制了在非结构环境中运动能力,为了提高刚性机器人的运 动能力,人们又发展了超冗余机器人。超冗余机器人具有更多的运动副和更高的运动自由度,运动的灵活性更佳。而连续体机器人则是对刚性超冗余自由度机器人的进一步发 展[11-14]。由于自身不存在运动关节,理论具有无限的自由度。连续体机器人可在身体的 任意部位产生弹性变形,所以具有很强的避障能力能够更好地适应非结构化环境。 基于仿生学,人们已经研制了许多连续体机器人,例如各种机器蛇机器蜥赐 机器鱼等。虽然连续体机器人的环境适应能力大幅度提高,但由于身体结构仍然是 刚性的,变形是离散而非连续的,且不能改变自身几何形状,因此在狭小空间的运动能 力依然受到限制,缺乏运动的柔顺性、灵活性。然而自然界存在着大量的非脊椎软体动 物以及软体组织,例如各种毛毛虫、章鱼和乌贼的触手、大象的鼻子等,这些软体生物 具有了非凡的操作能力和移动能力。例如青蛙舌头可在十几毫秒内打,并可伸长一倍 进行捕食章鱼可挤压身体通过极狭窄环境等近年来,智能材料与结构的发 展为软体机器人研究提供了新的契机,各国研究人员希望通过研究、学习和模仿生物肌 肉和带等软组织的结构、功能、运动机理和控制原理,提高机器人结构的灵活性、柔 1 第一章绪论 顺性和安全性。 软体机器人是一种全新的机器人,是仿生机器人研究的延续。通过模仿自然界中的 软体动物,由可承受大应变的柔软材料制成且可在大范围内任意改变自身形状和尺寸的 仿生软体机器人有无限构型使其末端执行器具有到达工作空间内的任意一点的能力 ISGl。 软体机器人与传统刚性机器人的不同在于其身体变形是分布和连续的,理论上具有无限 自由度;通过身体的主动变形与被动变形相结合,软体机器人对非结构环境具有极强的 适应性;另外软体机器人的柔顺性使其可操作易碎及柔软对象;此外软体机器人的身体 还可进行大变形从而挤过狭窄的环境,这些优势使其可以应用于家庭服务、手术医疗、 救灾以及军事用途。软体机器人是智能材料、智能驱动和智能控制等多个学科的综合, 在材料利用、结构设计及加工,运动传感和控制等方面均存在着一系列难点问题需要继 续研究。但是软体机器人的研究手段、研究方法以及研究内容都极大的丰富了现在机器 人研究,无论是对现有的传统机器人的改进和对机器人研究领域的扩展,软体机器人作为未来机器人的发展方向都具有极其重要的研究价值。 本学位论文课题主要来源于国家自然科学基金面上项目“基于形状记忆合金的三维 柔性仿生鱼鳍研究” 、中国科学技术大学青年创新基金“ 一种新型的可变形软体机器人 研究”相关科研项目,这些项目的研究目标是对内嵌 SMA 丝的平板驱动器进行系统研 究,然后将其应在柔性机器人身上。其研究内容包括柔性机器人的结构设计,柔性驱动 器的特性研究以及柔性机器人的控制研究等方面。本论文以实现三种运动模式的仿生软 体机器人为研究对象,研究多运动模式仿生软体机器人的实现机制与关键技术,重点开 展仿生软体机器人多运动模式的的实现方法、内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器的动态特 性研究、仿生软体机器人的运动学仿真和实验研究,以期为多运动模式仿生软体机器人 的设计和实现提供理论基础和技术参考。 器 冗余 “ ―, ■ ... . . 图 1.1 基于材料和自由度的机器人的分类 2 第一章绪论 1. 2 仿生软体机器人的基本概念和分类 软体机器人是柔性机器人的高级形式,它不仅可以改变自身的形状而且也可以大幅 度改变自身的形状尺寸。相对于传统的刚性机器人,无论是结构形式,驱动方式、建模 控制方式还是制造技术等方面,软体机器人都有很大的不同。由于两种机器人考虑问题 的出发点和研究角度都有很大的区别,传统的视角和研究方法己经不再适用于软体机器 人上。软体机器人的出现是对传统机器人概念和内涵的极大延伸,已经从狭义的分散的 结构设计和机构控制扩展到了广义上的结构和材料相结合,结构和控制相结合的模式。 使得机器人摆脱传统的纯工程观念,机器人和各个领域的结合愈加紧密,拓展了机器人 的研究领域。1.2. 1 各类机器人的特性比较 相对于传统的刚性机器人,仿生软体机器人具有许多新的功能和特性,特别是具有 在大应变情况下正常工作的固有特性。表 1.1 对比了软体机器人和各类机器人在特性、 性能以及设计方面的差别。最常见的刚性机器人运动都是非冗余的,在结构环境中能以 相对容易的可控性以及较高的精确度来执行重复的动作,利用此特性它们已经非常成功 的应用在工业自动化中。由于传统刚性机器人都被设计成刚性的,无论是振动还是结构 以及传动机构的变化都不会影响机器人运动的精度。通常情况下刚性机器人拥有许多灵 活的关节,而这些关节则通过刚性构件连接起来。每个关节灵活的转动和平动可以提供 一定程度上的机器人运动自由度。通过各个关节自由度的组合可以实现机器人的末端运 动空间和轨迹。超冗余机器人是传统刚性机器人的进一步形式,它具有较多驱动器且运 动自由度较大。一些较硬的材料如形状记忆合金也可以被设计成连续变形的结构,从而 具有无限的自由度。超冗余机器人在非结构环境中具有较好的运动精度。相对于传统的 刚性机器人和超冗余机器人,采用不同结构和材料的软体机器人具有灵巧的运动特性 (图 1.2)。软体机器人分布式的变形使其具有理论上的无限自由度,这使得软体机器人 具有无限多的形状和结构达到三维工作空间中任意一点。软体机器人还有一个额外的特 性是相对于刚性机器人具有对外界压力载荷更低的阻抗,使其对环境具有更好的适应性。 因此,它们可以携带的较小的有效载荷,而不会对环境造成损坏。图 1.2(a)表示软体机 械臂和刚性机械臂灵活性对比示意图,图 1.2(b)表示刚性机械臂和软体机械臂位置传感 的对比示意图,图 1.2(c)表示刚性机械臂和软体机械臂可操纵性对比示意图,图 1.2(d) 软体机械臂和刚性机械臂负载性能对比示意图。 3 第一章绪论 表 1.1 各种机器人特性和功能比较 刚性机器人 超冗余机器人 连续体机器人 结构特性 软体机器人自由度 非常少 较多 无限 无限 驱动器数量很少、离散 较多、离散 连续 连续 材料应变特性 小 大 无无结构材料 金属、塑料 金属、塑料 电活性聚合物等 运动性能 运动的精确度 高高低 可承载能力 较低 较低 低 安全性 低 低 低 高 运动的灵活性 高 非常高 低高 非常高形状记忆合金,EAP 形状记忆合金,橡胶,高工作环境 结构化环境结构和非结构化环境结构和非结构化环境结构和非结构化环境 可操作对象 变尺寸 变尺寸 变尺寸 与操作对象的 好 较好 非常好 同定尺寸差相容性 设计 结构实现 容易 中等 难 难 运动的可控性 较难 难 难 运动反馈 容易 较难 难 难 灵感来源 哺乳动物 ^M 毛毛虫 容易刚性机器人 软体机器人 (X,y, Z) (b) y 时 /\,产 (X, y, z)(x, y,z)?图 1.2 软机器人和刚性机器人性能对比 4 第一章绪论 机器人的自由度是由有限的可控的致动器来支配的,传统的刚性机器人一般只有一 个致动器,通常是一个马达驱动一个关节,而软体机器人的致动器通常是集成在软体机 器人的身体结构中,一般情况下软体机器人的致动器构成了软体机器人大部分的身体结 构。这种驱动器既要有驱动功能又具有结构功能的双重特性极大的限制了传统驱动器在软体机器人中的应用,如电动马达[32],液压马达[33]等,然而驱动器的材料特性、应变、 尺寸、形状和位置又都决定着软体机器人的身体变形量,因此传统的驱动器已无法应用 在软体机器人上,只能利用新型柔性驱动器。因为不像刚性机器人每个关节都有一个驱 动器,软体机器人被定义为欠驱动机器人,因此对软体机器人形状的控制和测量传感是 非常困难的。软体机器人的结构是一个连续体,所以它们的形状和末端位置的精确测量 变的非常困难,测量什么以及如何使用这些测量值来控制软体机器人的移动是一项极具 挑战性的工作。刚性机器人只要通过每个关节上的高分辨率的编码器就可以精确测量其 位置,在确立各个运动关节的空间位置时,通过动力学方程就可以精确的推算出刚性机 器人的末端位置和轨迹。同样的,在已知机器人的末端位置和轨迹时,各个关节的位置 也可以通过运动学方程反推出来的。由于编码器测得的关节位置精度较高,与从运动学 计算出来的位置的误差可以忽略不计,因此刚性机器人的伺服控制的效率和速度都比较 高,各个关节的位置也可以被精确的跟踪。 软体机器人与环境的交互作用不同于刚性机器人,外界的分布载荷(例如重力)或 接触力都会对其结构产生影响。负载可以使软体机器人的末端位置产生变化,而刚性机 器人则不会。刚性机器人通过编码器来测量末端位置产生的变化,然后通过控制器来补 偿外界环境给机器人本身产生的影响,因此刚性机器人的末端轨迹可以准确的测量。对 于软体机器人而言,重力或者接触载荷会产生连续的变形,这使得相对有限的传感器和 控制器不能有效的测量和控制软体机器人的运动。 (a) ^+ 重力载荷 (b) _ = 丨丨,丨丨 m:丨 -: .:-11 li(c) ―5^-■■‘ “ 位置不变 图 1.3 软体机械臂变形示意图 5 第一章绪论 此外外部环境和软体机器人的交互作用也会影响着软体机器人的运动。例如软体机 械臂是通过整体机械臂来操作握住不同大小的对象,而刚性机械臂则有专门的末端执行 机构来抓起特定大小和类型的对象。图 1.3 展示了软体机械臂在重力或分布式载荷情况 下的变形情况。如果铰链有足够的刚度而且负载的足够低,刚性机械臂可以伺服成任何 形状。而软体机械臂在重力的作用下会产生相应的变形,如果此时在其末端施加一个弯 矩,软体机械臂的末端位置并没有产生改变,但是形状已经发生了改变。因此传统的结 构和控制方法已经不再适用于软体机器人。 1. 2.2 仿生软体机器人的结构分类 刚性机器人的结构是一系列独立的构件通过各个关节连接起来,它的结构形式对机 器人的形变不会产生明显的影响,但软体机器人的结构形式却直接决定着机器人的形变 状态,进而影响其运动的灵活性。正式因为软体机器人对材料的苟刻要求,传统的材料 和结构已不能满足软体机器人的结构需要,只有采用新型的智能材料,例如桂橡胶【34,35], 形状记忆合金电活性聚合物等。这些智能材料根据其材料特性而被广泛应用 于软体机器人各种各样的身体结构中。从仿生学角度出发,软体机器人的结构主要分为 静水骨骼结构、肌肉性静水骨骼结构及其它结构。 (1)静水骨骼 和哺乳动物相比,软体动物并没有刚性骨架,而是由表皮、肌肉、体液等其他一些 软组织来构成整个的身体,其典型结构形式是静水骨潘静水骨豁结构是由肌肉构 成的内部充满体液的封闭腔组成,通过体液的运动来产生身体形态的变化。当静水骨骼 的肌肉在某一方向收缩时,则在其他方向伸长,但是身体的体积却在变化过程中保持不变。不同于具有刚性骨架的节肢动物,软体动物是利用封闭腔内流体的静压力来传递力 和改变身体的刚度[43],通过控制身体不同部分肌肉的伸长和收缩,使身体产生连续的变 形和运动。 如图 1.4 所示,塔夫茨大学研制的仿毛虫机器人是一种典型的采用静水骨豁结构的 仿生软体机器人。它的结构主要由桂橡胶表皮和 SMA 致动器组成。桂橡胶表皮作为机 器人的主体结构,而 SMA 由于同时具有驱动和传感相结合的特点,SMA 致动器作为 机器人运动的驱动器和控制器[%。SMA 嵌于桂橡胶表皮内为其提供驱动力,而 SMA 的 恢复力则由表皮存储的弹性势能提供,通过控制 SMA 致动器的参数就可以产生不同的 输出力和形变大小。 6 第一章绪论 . .. mmmk 抵、 ‘J m* 泰 ’? . I W ^ “ ?,'-ummm-' va O 。 ’ 111;“IIIniiiiiiinr―腿D、赚 腿 图 1.4 仿毛毛虫机器人及结构示意图[51 (2)肌肉性静水骨豁 与静水骨豁相比,肌肉性静水骨豁并没有封闭的流体腔。典型的肌肉性静水骨豁结 构是由交错布置的横肌纤维和纵肌纤维所组成。当横肌收缩时身体向纵向方向伸长,而 当纵肌收缩时身体则向横向方向伸长,和静水骨豁相同的是,无论肌肉纤维怎么变化, 身体体积则保持不变。象鼻和章鱼的触手都是典型的肌肉性静水骨豁结构。 # 图 1.5 章鱼触手肌肉结构示意图丨 如图 1.5 所示,章鱼触手在其轴向、横向和倾斜方向都排列着肌肉纤维[45】 。通过分 析章鱼肌肉的几何和生物力学特性[46’47]可以看出,通过收缩横向肌肉可使其触手伸长; 收缩轴向肌肉则使触手缩短;收缩倾斜方向的肌肉则使触手产生扭转运动。基于前分析而得到的章鱼的运动特性,己经有许多的研究小组设计了各种各样的仿生章鱼触手结构, 图 1.6 是一种基于 EAP 的仿生章鱼触手结构_,这种结构是由 4 个圆柱形轴向 EAP 肌 肉和 4 个弧形 EAP 横向肌肉所组成。 (a) (b) (c) 图 1.6 仿章鱼触手结构的人工肌肉 7 第一章绪论 (3)其他结构 除了以上两种结构形式,科研人员也发展了其他一些结构的软体机器人。如图 1.7 所示的气动运动链机器人,通过改变运动副刚度可使机器人发生变形运动图 1.8 所 示的是由日本立命馆大学研制的螺动跳跃软体机器人,这种机器人通过过控制 SMA 使 机器人产生变形,将身体的重力势能转化为机器人向前滚动的运动动能,此外,可也可 通过变形将弹性外壳的弹性势能储存起来,然后瞬间释放使机器人产生跳跃运动。 (a)运动机现 (h)气动运幼链祥机 图 1.7 气动运动链机器人【川 立 c~^ rTT&\ x⑷B 定状态 (J)储/状态(a)结动跳跃机器人 (b)运动机理 图 1.8 蠕动跳动机器人[53】 1.2.3 仿生软体机器人的驱动方式 由于软体机器人具有无限自由度且能够进行较大的身体变形,传统的刚性致动器已 不能满足其要求。软体机器人特殊的结构形式和运动方式对致动器提出了更高要求,如 其柔顺性好,质量轻,结构简单等。软体机器人驱动方式通常可分为两大类:物理驱动与化学驱动。 (1)物理驱动方式。 物理驱动的能量转换是一种物理过程,这点和传统驱动器的特性类似。软体机器人 采用的物理致动器主要是智能材料和一些柔性驱动器,如 SMA、气动致动器、EAP 等。 表 1.2 是各种驱动器特性和功能的对比。 8 第一章绪论 表 1.2 各种驱动器特性和功能比较 属性 形状记忆合金 W 气动致动器应变特性 不超过 8% ― 300% 驱动力 p/M 尸 a 200 一 0.1-40 反应速度 毫秒?分钟 一 微秒?分钟 密度 g/cw-3 5-6 ― 1.0~2.5 驱动电压 一 一 1?7V(离子型 EAP) ]0~150 V/,(电子型 EAP) 功率大小 瓦级 一 毫瓦级柔软程度 弹性 一 弹性 主要优点 功率密度高,驱动反应速度快,功率响应速度快。 力大。 密度高。 主要缺点 效率低,响应速度难以小型化。 承载能力差 较低,难控制。(2)化学驱动方式 化学驱动是利用化学反应所产生的能量来驱动机器人运动。维吉尼亚理工学院研制 的仿阿米巴虫机器人 ChiMERA[49]是一个典型的采用化学驱动的软体机器人(图 1.9), 其运动机理如图 1.10 所示。这种机器人的结构是由 EAP 制成的皮肤包裹在空心圆柱基 体表面,在化学反应产生的能量作用下,其外部的皮肤向内翻,而内部的皮肤则向外翻, 从而实现机器人的持续运动。由于化学反应的速度非常快,使得机器人的运动速度较高, 而且能够挤过较小的狭小缝隙(图 1.11)。 (a)ChiMRRA (b)运动机理 图 1.9 ChiMERA 软体机器人叫 另一种利用化学能驱动的软体机器人是由日本早稻田大学研制的仿生尺蠖化学机 器人(图 1.12)。这种机器人由凝胶制成,浸在特制的化学反应的溶液中,利用化学反 应使软体机器人产生伸缩变化,再通过底板的棘轮机构,使其转换为机器人的运动 9 第一章绪论 Endoplasm Ectoplasm Hyaline cap Uroid \ j \ Pseudopod图 1.10 ChiMERA 软体机器人运动机理[31] C :、等 J 】 ?集 _■ ,r, - / M r :.... 、 、 f/ r I / .vMm- ‘ ’ i “ ‘ At /」 图 i.ll ChiMERA 软体机器人通过狭小的缝隙 m 0.3 iTiin ::,:kLvl―Y 图 1.12 仿生尺螋化学机器人[5] 1.2.4 仿生软体机器人的典型运动模式 自然界的软体动物经过长时间的自然进化形成了一套非常有特色的运动模式,这些 运动模式有着各自的运动特点,使得软体机器人在各自的生活环境中具有良好的适应能 力。仿生软体机器人典型的运动模式有孺动运动,运动,滚动运动,弹射运动。 在生物界,有非常多的动物具有依靠身体变形波传导获得有效运动能力(如蛇类、 蛇虫引等);对它们运动模式和生理结构进行仿生,可以让机器人获得在不同地形环境,不 同气候下的高度适应能力[51](图 1.13)。蠕动运动的体积变化较小,在狭窄崎眍空间中 具有极大的优势,且在运动的稳定性、通过狭小空间的能力,运动的超冗余能力和身体 的完全密封能力等方面具有良好的性能[52’53]。蠕动机器人在大多的情况下其势能都处在 10 第一章绪论 较低的状态;因此几乎不需要考虑由接触点构成的多边形的稳定性问题,并不存在摔倒 等问题。采用螺动运动的机器人理论上能够越过数倍于其高度的障碍物,并通过众多关 节的连接来获得对障碍物的适应能力[54]。儒动运动的重量一般都分散在比较大的面积上, 使得施加在松软基底上的力能够低于基底塑性变形极限值,这在在狭窄的空间和松软的 基底上具有非常大优势,而且蠕动运动各段具有独立的运动能力,如果在运动中某段出现问题,用蠕动运动的机器人仍然能够有运动能力。蠕动系统有利于将机器人密封,从 而将其与其工作环境之间进行隔离,这在特殊环境中工作是非常有用的。 【: ‘、fclibL― I M 图 1.13 采用螺动运动的仿生机器蛇与仿生姬虫引 运动是螺动运动的特殊形式,它是生物界中尺@所特有的运动方式,由于尺蠖的 后部有非常多的腹足,可以牢牢的抓住地面,能够使身体长度的 90%悬在空中(图 1.14)。 这样独特的运动特性,使得它的越障能力超过了姬姬这些采用一般孺动运动的软体动物, 它不仅可以越过比它的身体直径高的多的障碍物,而且也可以越过一般螺动软体动物不 能通过的壁沟,对环境的适应能力更强。仿照尺蠖的运动模式而研究出来的尺蠖机器人 改变了传统的仿生z动机器人的运动模式,它既能够以螺动运动的方式在狭小空间运&动, 也能够利用身体的悬挂来通过较高的障碍物。这使得仿尺嫂运动的环境适应能力更 I, 更有效[55’56]。 、i : ” SMA coil actuators . V 图 1.14 尺嫂运动和仿生尺嫂机器人 通过对自然界的仔细观察,我们可以得到一些启发将其应用在滚动运动机器人上。 虽然自然界中用滚动运动的生物比较少,但这并不能说明没有(图 1.15)。在所有已 11 第一章绪论 知的滚动生物中,滚动运动一般都不是它们的主要形式 t57,58】 。自然界中的滚动运动可以 分成两个主要形式:主动滚动和被动滚动。被动滚动需要外部提供驱动力才能运动,如 风力和重力;主动滚动是生物体依靠自身的能量产生滚动并控制它,这样它就可以以一 个特定的方向和速度实现滚动。仿生滚动机器人相对于采用传统运动模式的机器人具有 以下优势:1)机器人的整个系统都可以包围整个球壳内,从而保护机械等组件。2)采 用滚动运动的机器人通常没有四肢,因此不容易被障碍物卡住。3)滚动运动机器人和 地面接触压力较低且整个外部身体都可以作为驱动机构,这使它们可在较软的地面上运 动如沙,雪,泥\或植被。4)滚动运动机器人在遇到障碍物时可以超在任何方向移动,这使得它们的控制相对简单。5)滚动运动机器人可以迅速的从碰撞过程中恢复过来[591。 各国研究人员已经发展了许多的滚动运动机器,但它们仍然着重于早期的概念研究阶段, 而对机器人本身的性能没有过多的关注。滚动运动机器人的运动和控制仍然有许多的工 作要做。图 1.16 是目前研究出来的滚动运动机器人,它们既有刚性的也有柔性的。 这三种运动模式是自然界陆地软体生物典型的运动模式。表 1.3 是这几种运动模式 特性的对比。从图中可以得知滚动运动具有较快的运动速度和较高的运动效率,但是相 对于蠕动运动和 Q 运动,滚动运动在非结构环境的适应能力和通过狭小空间的能力则差 很多。 (a)风滚苹 (b)毛毛虫 (c)Namib 购蛛 图 1.15 几种典型的具有滚动运动能力的生物 (a) Kickbot (b) Roball (c) Crawling Robot 图 1.16 儿种典型的具有滚动运动机器人 12 第一章绪论 表 1.3 三种运动模式特性比较 属性 滚动运动 D动运动 仿尺蠖运动(ft 运动) 速度 较高 慢 慢 效率 较高 低 低 通过狭小空间能力 较差 好较好 越障能力 较差 较好 好 环境适应能力 较差 较好 好 可控性 难 容易 较难 可恢复性 m 较好 __较差1. 2. 5 仿生软体机器人的建模与控制 对机器人的控制,传统的方法是先建立其精确的物理模型,然后通过伺服控制的方 法实现机器人运动的精确控制。刚性机器人,由于其结构变形量很小,物理模型比较容 易简化和建立。而软体机器人精确物理模型的建立则非常的困难,主要因为:(1)软体 机器人结构变形量很大,存在变形的非线性和材料的非线性;(2)软体机器人理论上没 有关节,因此具有无限自由度;(3)对软体机器人力学模型的建立,需要对机械模型、 智能材料、智能控制、化学等科进行综合分析。由于仿生机器人或多或少的是对自然界 生物的运动模式的模仿,所以许多研究者用生物试验的方法对其模仿对象进行生物力 学分析和建模,通过生物力学分析来建立其软体机器人的力学模型。GRIETHUUSEN 等 分析了毛毛虫在水平和竖直方向爬行时的运动学参数_]; BELANGER 等分析了毛毛虫 前腿的功能[61,62],WOODS 等毛毛虫的肌肉进行了实验研究,得到了毛毛虫肌肉的 学曲线图[63]; MAZZOLAI 等分析了章鱼触手的肌肉结构,并获得了肌肉的应力一应变 曲线[64]; YEKUTIELI 基于三维重建技术分析了章鱼触手的运动特性[65]。虽然采用生物 实验的方法可以得到软体动物的相关特性,但是实验测得的都是生物体本身的运动特性,软体机器人虽然是对其进行仿生,但是其运动特性并不一致,因此有研究者希望通过改 进现有的理论方法,对软体机器人的运动进行分析和建模,如 YEKUTIELI 等基于多段集 理论建立了章鱼触手动力学模型,并研究其运动控制策略[66&67]; LIANG 等使用有限元模 型来分析肌肉性静水骨豁结构[73]。由于软体机器人时超冗余度机器人的进一步发展,两 者的运动模式十分类似,所以可应用超冗余度机器人的建模方法来近似研究软体机器人 的特性 SMA 是一种比较理想的制作驱动器的材料,已经有许多的研究人员对其本 构模型进行了详细的研究通过 SMA 的本构方程可以有效的对其进行控制。除此之 夕卜,EAP 柔软的特性也使其非常适合制作柔性致动器,己经有很多学者对 EAP 的建模优 化进行了研究,较详细地研究了 EAP 建模优化的方法通过建立 EAP 的本构模型,以 便对其更好的控制。 13 第一章绪论 1.3 仿生软体机器人的研究进展及启示 生物在地球上已经生存了亿万年,它们对环境的适应能力达到了完美的进化。通过 仿生学,研究人员将有关生物学原理应用到机器人的系统研究与设计中,对当今日益发 展的仿生机器人科学起到了巨大的推动作用。软体机器人是仿生机器人研究的延续,由 于其出色的运动灵活性和环境包容性,在军事侦查、环境探测、医疗服务等领域具有广 泛的应用前景,因此对仿生软体机器人的研究已经引起各国研究人员的高度重视[7 二 73]。 1.3.1 仿生软体机器人的研究现状 ilyw* 图 1.17 ―些典型的具有软体结构的生物 智能材料的发展、软体生物运动特性的研究、传感和控制技术以及先进制造技术的 进步都为软体机器人的发展打下了坚实的理论基础和指导依据。对于软体机器人的研究, 除了采用传统的刚性机器人的设计方法,人们把目光猫准了生物界,希望从具有独特运 动特性的动物身上获得灵感,将它们的运动机理和行为方式运用到对软体机器人的运动 机理和控制研究中。自然界中有许多生物是没有骨豁而完全由柔性组织所构成的。如象鼻,哺乳动物和蜥螺的舌头和章鱼武器的静水骨骼肌肉等,它们都可以弯曲,延伸甚至 14 第一章绪论 扭曲(图 1.17)。图 1.17 中各个图片表示的是(a)管脚海星,(b)章鱼触须,(C)海蔡,(d) 舌头,(e)乌贼的触须,(f)象鼻,(g)海胆,G)鱿鱼,(0 尺暖,G)祸牛。自然生物利用其柔 软的组织结构使其能够适应复杂多变的自然环境。即使是刚性骨架动物的主要成分也是 软组织和液体。例如,一个成年男性的人体骨豁通常只占体重的 11%,而肌肉和液体则 占体重的 42%。此外,动物身体的软体组织,可以在运动过程中起到支撑的作用(如消 化,气体和热交换,运动控制等)以及身体的高度变形。虽然模拟生物界这些复杂的结 构对于软体机器人发展既无必要,也不现实,然而对软体结构的形态和功能的性质基本 的了解,能够给研究人员以极大的启发,并以此为基础来设计新概念的软体机器人,使 其能够适应不可预知的外界环境。 软体生物向人们展示了其软体机器人潜在的应用价值。因此通过仿生学对软体动物 的组织结构和运动方式进行研究,可以推动整个仿生软体机器人研究领域的进步。由于 对软体机器人仿生的最大问题在于材料的柔软性及可控性,通常情况下软体机器人的结 构和运动又是紧密相关的。因此目前软体机器人的仿生研究主要包括软体生物运动方式 的仿生和软体机器人运动机理仿生这两大类。 (1)仿软体动物运动方式的软体机器人研究现状 I 自然界的软体生物和一般动物的运动方式具有明显的区别,一般的哺乳动物只是% 过四肢和地面进行接触,它的运动轨迹时一个个的点,而软体机器人的运动则时刻和地 面保持着接触,它的运动轨迹是一个面,因此它对地面的压力更小,适应能力更强。美 国国防部高级研究计划局资助下的塔夫茨大学研制的仿烟草天蛾幼虫软体机器人 是早期研制的比较典型的仿软体动物运动方式软体机器人。此幼虫采用的螺动运动方式 是软体动物典型的运动方式,这种机器人以 SMA 作为机器人的驱动器,通过模拟'j:!草 天蛾幼虫的运动方式,实现软体机器人的柔性运动(图 1.18)。 ,PSSH ...: f -- .. 图 1.18 仿毛虫软体机器人[781 此外姬糊也是采用螺动运动的典型生物,从仿生力学的角度来看,te 卿在螺动过程 中体积保持不变,它们通过帕斯卡原理模仿杠杆机械动作来传递力和位移。通过身体纵 肌的收缩可以缩短身体长度并增加其直径,而周肌肉收缩则降低的身体的直径并伸长的 15 第一章绪论 身体[79,姬顾通过环节的波动的收缩和扩张来实现运动,这个过程是类似于肠道蠕动。 运动和波动的方向可以是相同或相反的,这取决于环节和地面接触的时间基于静水 骨豁结构,利用柔性和刚性驱动器,已经有许多螺虫状机器人被研制了出来。图 1.19 是麻省理工学院研制的仿蛇姬机器人,图 1.19B 是仿生赃卿的身体结构,图 1.19C 是仿 生祖 4 弓 1 各种运动姿态。仿环节动物机器人使用堆栈的介电弹性体来制造桂胶皮肤并将控 制系统嵌入其中来生成类螺虫的运动_,也有许多的螺动机器人创性的采用 SMA 作 为驱动器,并将其应用在机器人的关节和身体结构中,以此来模仿线虫的蠕动运动[84,85]。 最新研究的孺动机器人则是利用基于 SMA 技术的网状结构作为机器人的身体主体 网状结构的孺动机器人是基于身体长度不变原理而不是姬卿所利用的恒定体积原理。一 个节段的径向收缩会导致相邻节段的径向膨胀,利用和地面接触所产生的蠕动波而向前 运动。在运动过程中,机器人体内的线性电位器来检测机器人长度的变化,以便为机器 人提供运动反馈。利用迭代的方式调整每个 SMA 驱动器的持续运动时间,使得机器人 的运动速度和运动距离最大化,而转向则通过驱动纵向的 SMA 弹S来实现。这种机器 人具有一个很鲜明的特性就是用重物碰击身体也不会破坏其结构。 静::rB 1 Oligochaeta (6}-a―^ 一Longitudinal muscle , . Circumferential muscle (C) 图 1.19 仿生姐贼机器人[741 蠕动运动是小型软体动物的主要运动方式,然而有的生物不仅具有孺动运动模式, 在应急情况下也能够通过滚动运动来快速逃生,如毛毛虫,其肌肉组织是非常复杂的, 有多达 2000 运动单元。它的身体结构中没有环肌,只有纵向肌肉,斜肌,另外很多小肌肉附 着在四肢与身体的其它部位(图 1.20A)。毛毛虫可以调整身体体液压力增加身体的刚性 16 第一章绪论 [87,,而通过环境外骨豁来驱动机器人运动和攀爬[91,921,毛毛虫的波动孺动看似没有任 何的关联,实际上是调整弹性势能在身体组织中的分布其协调运动由身体的腹足 和地面接触的时间和位置所决定的[96-98],其腹足的运动则是由一对神经元系统所控制的 伸缩肌所控制。仿毛毛虫机器人有一个重要的特性是可以通过变形来产生其他的身 体状态。塔夫斯大学研制的 GoQBot(图 1.20B)是一种典型的仿毛毛虫机器人,它有一个 细长的身体,可以变形围成一个圈,这种变化释放存储的弹性能量可让机器人产生弹道滚 动运动(图 1.20C)。当 GoQBot 在 100ms 完成身体的变化时,会生大约 1G 加速度和 200 rpm 的旋转速度,足以推动 10 厘米长机器人有一个 200cm/S 的线性加速度。 ⑷ h !■ 窗 m h翻 I : 」 MajOf muscle group in Mandnco (BJ‘ ....― ―‘ w 一■释 SMA cosi actuators . ; ^ - -- -、 , *-.、,&!. ― ji.'. } '° ‘ ;?i?_―i T~ .... ■^、 ‘ ?■ ■‘ ■? ? ■'' ' &-- - ?- 旅 、.|&^ . ‘ ‘ ~ “ . ? i|,J?'r^^R?fc!j& ? . “ ■ -~ . Biirnzjrnimmmmm --、'、 、、 、、?*&■??*, 第、 、丨丨_i_i^l?T * * *■?? ‘ '? ivgA 图 1.20 仿毛毛虫机器人 GoQBot[74] 一些头足类的动物可以完成比毛毛虫更加复杂的运动,头足类动物可以改变其身体 的形状来适应环境或其他动物,它们甚至可以抓起具有复杂外形的物体。如图 1.21 所示, 由于身体具有复杂的多变性和易操控性,章鱼成了最有吸引力的仿生对象[iw]。每个章 鱼的触须是由不同结构的肌肉组织构成[1⑶1^],其触须的中央是横肌周围则是三个纵肌 纤维束沿着触须的方向螺旋布置,其触须的形状包括了伸长、缩短、弯曲、扭转,其输出力的大小也可以由触须的刚度来表示[1^]。由于肌肉组织的体积保持不变,因此可以 利用静 IE 原理来传递位移和力,章鱼可通过立体动作减少运动自由度来简化控制[^5]071, 章鱼触须的运动可以由这几种基本的状态组合而成[1。8]11]。已经有许多的仿生章鱼机器 17 第一章绪论 人被研制了出来[&2,113],这些机器人的用途各不相同,其中一些作为是柔性机械臂来操 作各种物体,采用气动致动器来驱动仿生章鱼触须向各个方向偏转。另外一些仿生章鱼 直接利用柔性材料来实现其运动,尤其是利用柔性智能材料来模拟横肌和纵肌致动器的 静水骨豁结构,智能材料可以是 SMA,介电橡胶等图 1.21 是一种采用 SMA 弹 簧作为致动器的仿章鱼机器人。它通过模拟章鱼的触字的结构来运动(图 1.21A),这种 仿生章鱼具有较大的变形能力,甚至可以缠绕住人的一条手臂(图 1.21B)。图 1.21C 是 仿章鱼触手结构,网状结构构成了触手的外骨豁,这种结构允许在触手外形不变的境况 下进行局部或整体的变形,而利用 SMA 制造的人工肌肉(图 1.21D)为触手的变形提 供变形能力。 __ Octopus vulgaris i SMA a 巾 hcial muscle 图 1.21 仿生章鱼机器人[781 早期的仿生软体机器人由于材料和技术的限制,主要是通过现有的结构来模拟软体 机器人的运动,如仿螺动运动,滚动运动等。随着材料技术的逐渐进步,通过改进机器 人的结构,如将智能材料和结构相结合,既能满足机器人的保持形状的需要,也能通过 结构的变化来驱动机器人运动。图 1.22 是目前研制的最新的仿生软机器人,其中(A) 一种由充满颗粒的柔性囊组成的柔性手,这种柔性手通过真空压力来抓起各种形状复杂 的物体,(B)―种模仿章鱼结构的柔性机械臂,(C)仿象鼻结构的机械臂,(D)GoQBot 是一种可以弹射滚动仿生毛毛虫机器人,(E)由压缩空气驱动的仿生海星机器人,(F)由网状结构构成的仿生蛇糊机器人。 18 第一章绪论 (A) ,厂 ^“!8)^―&*?: w 11? :“肩:/? .?^ .V I 、彳 .??,.?. ^ ?Ji^r t 1-.4. 二 ■■ ,1“1.二 1_x &.&* 4 (0) 1 ― I w igg^ .、 fc^H 图 1.22 基于柔性材料而最新研制的仿生软体机器人[78] (2)仿软体动物运动机理的软体机器人研究现状 目前大部分的软体机器人都是模仿软体动物的运动方式。虽然智能材料和结构的进 步使得最新软体机器人具有非凡的性能。但是这些机器人在运动机理上而言和真实的软 体动物的运动仍然有较大的区别。因此科研人员开始把目光聚集在如何通过研究软体动 物的机理来制造可以真正具有柔性运动的软体机器人。 为了能够在狭小的空间内有效的侦查,2007 年美国国防部高级研究计划局提出研 制一种小型化学机器人 chemBots,希望它能够通过比自己身体小得多的狭小空间,通 过以后有可重构自身的形状和尺寸,并能携带相应侦查工具来完成必要的任务[126]。 ChemBots 的变形过程利用了堵塞原理。堵塞原理是一种通过增加液体密度而使液体变 为固体的物理过程。充满着空气和松散固体颗粒的细胞小室构成了 ChemBots 的超弹性 外表皮肤,当排空细胞小室内的空气后,ChemBots 的超弹性外表皮肤会在压力的作用 下自动收缩,固体颗粒充满整个细胞小室,从而导致细胞小室固体化。具体说来, V. ?f-MSSctii^ (^气《、1 ― t.&J'y.arwiy * & t_ i, _ io .ChemBots 具备以下特性:体积不超过网球大小,能够以 25cm/min 的速度持续行进 5 米 的距离,可以将自身尺寸减少至常态时的 10%,能穿过直径只有 1cm 的狭小缝隙并能 在 15 秒内快速恢复到常态,并继续执行任务。此外,机器人具有感官知觉能力以便感 知存在的障碍以及自身身体的形状。化学机器人(图 1.23)是柔性化学材料技术和机器人 技术的综合体,具有比传统软体机器人更大的变形能力,是未来软体机器人的研究方向。 19 第一章绪论 :? '; ;‘ =*广十■土 J ‘ ‘'. :? .... %': ?-: ‘ ‘ .■,. 图 1.23 化学机器人 ChemBots 国内虽少见软体机器人研究的报道,但一些仿生机器人已具备了软体机器人的某些 特征。表 1.4 是国内外的仿生软体机器人的研究现状。 表 1.4 国内外仿生软体机器人研究现状 仿生软体机器人国外研究现状 国家 研究单位 研制项目 塔夫茨大学 Barry A. Trimmer 实验室 仿毛毛虫机器人 iRobot 公司和芝加哥大学 Blob bot 化学机器人 美国国防部高级研究计划局 Chembots 化学机器人 美国iRobot 公司与麻省理工学院 气动运动链化学机器人 维吉尼亚理工学院 RoMeLa 实验室 仿阿米巴虫机器人 ChiMERA 塔夫茨大学 GoQbot 软体机器人 日本 立命馆大学 基于形状记忆合金的蠕动跳跃机器人 早稻田大学桥本周司物理实验室 基于化学凝胶的仿生尺@机器人 欧洲 欧洲章鱼项目组 仿生章鱼机器人 韩国 首尔国立大学 仿尺螺机器人 仿生软体机器人国内研究现状 研制单位 研制项目 浙江大学 基于 SMA 驱动的桂胶表皮的仿生蛇顾 哈尔滨工业大学 基于 SMA 的自主导管导向机器人 西北工业大学 仿赃顾在土质环境下的拱洞机器人[I22】 20 第一章绪论 1.3.2 仿生软体机器人存在的问题及启示 软体机器人是对柔性机器人的进一步发展,对它的研究才刚刚起步。研究领域涉及 到智能材料、化学和物理理论、流体力学,智能控制等多学科,并且从材料选择、结构 设计、制作加工、运动的传感到控制、甚至如何使用均存在着一系列难点需要继续研究。尤其是现有的材料无论是从应力和应变的范围还是性能的稳定性都还不能满足软体机 器人能够在较大的范围能够改变自身的形状的要求,必须发展一系列新型智能活性材料。 并且软体机器人的变形和运动需要高质量的柔性致动器和柔性传感器,只有将智能材料 与工程相结合才能制造出满足软体机器人运动的柔性驱动器。此外,软体机器人的设计 理论和方法还不成熟,如何综合考虑机器人的灵活性、承载能力和可靠性等还存在诸多 困难,为了优化设计,需要建立精确的物理模型,然而由于软体机器人具有无限自由度, 而建立其力学模型是一大难点,需要流体力学、运动学、动力学以及化学动力学的综合 分析。目前软体机器人使用的控制方法都是基于简化过的物理模型,如伪刚体模型等, 不能保证控制的稳定性和可靠性。此外目前软体机器人由于受到结构和和材料的限制, 普遍存在着运动效率过低,环境适应能力并不是很理想的问题。由此,我们通过转换软 体机器人的运动模式来实现软体机器人的运动效率和适应能力的综合,并且采用具有驱 动和传感相结合的形状记忆合金材料作为主要的驱动器器件,以便简化软体机器人的结 构和控制。 1.4 论文研究内容和组织结构 1.4.1 论文组织结构 根据以上研究内容,本论文组织结构如图 1.24,每章节具体内容安排如下: 第一章为绪论。详细介绍了课题的研究背景及意义,对仿生软体机器人的基板概念 和分类进行了细致的解析,然后对仿生软体机器人的国内外研究现状进行了详细的剖析, 指出了目前仿生软体机器人研究存在的问题以及所给出的研究启示。最后给出了本论文 的研究内容和组织结构。 第二章为仿生软体机器人多运动模式的实现研究。在综合分析了软体机器人各种运 动模式的特点基础上设计一种可实现三种运动模式的仿生软体机器人。首先对软体机器 人的三种运动模式进行详细的研究,得出软体机器人实现三种运动模式的运动机理,提 出了实现三种运动模式的软体机器人的运动机制。然后在此基础上完成了软体机器人的 整体结构方案设计。第三章为仿生软体机器人的运动学仿真和实验研究。讨论了软体机器人在 ADAMS 中的运动仿真的基础。对软体机器人两种运动模式,滚动运动和螺动运动,进行详细的 21 第一章绪论 研究。首先建立了它们在 ADAMS 中的仿真模型,然后对其运动特性进行仿真研究,通 过调整控制参数使其运动具有理想的运动效果。通过仿真研究给出了软体机器人运动的 有效控制策略,为其运动实验研究奠定前提。然后在此基础上完成了仿生软体机器人的 原理样机的制作,然后通过对仿生软体机器人的滚动运动和两种运动状态的转换进行实 验研究,得出了仿生软体机器人的头尾分离可行性和滚动运动的运动特性。 第四章为内嵌单根单程记忆效应 SMA 丝的平板弯曲驱动器的力学模型研究。基于 空间力系平衡分别建立了 SMA 线性致动器的力平衡关系,弹性基板的力平衡关系和弹 性基板的力矩平衡关系,综合这三个平衡方程获得了平板弯曲驱动器的动力学模型。 第五章则是通过 SMA 动态特性实验研究,获得了 SMA 的准静态和动态的热力Q 合特性以及 SMA 丝的相关仿真参数。然后利用 Maple 对内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动 器进行数值仿真,利用数值仿真的结果设立了性能稳定的内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动 器,最后通过平板弯曲驱动器的特性实验获得驱动器的输出特性,为驱动器的应用打下 坚实的基础。 第六章为总结与展望。对本论文的主要研究成果和创新点进行总结,并对下一步的 研究工作进行展望。第一章绪论 ‘ r第一童~?早 仿生软体机器人多运动模式实现 &rA*- ‘ .aid 仿生软体机器人运动学仿真和实验研究 ^第四章 I 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器的力学模型 & ‘第五章 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器的仿真和实验研究 ]第六章 总结与展望 图 1.24 论文的组织结构 22 第一章绪论 1.4.2 论文研究内容本论文从仿生学的角度出发,针对仿生软体机器人存在运动模式单一,运动效率和 环境适应能力不能有效兼顾的问题,研制了能实现三种运动模式的仿生软体机器人并以 此为基础来探索仿生软体机器人多运动模式的实现机制。本论文以能实现三种运动模式 的仿生软体机器人为研究对象,围绕着仿生软体机器人多运动模式的实现机制,重点开 展了仿生软体机器人的多运动模式实现机理研究,仿生软体机器人整体结构方案实现, 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器动态特性研究以及仿生软体机器人的运动特性等工作。主 要研究内容如下: (1) 仿生软体机器人多运动模式机理研究。通过分析自然界中三种具有独特运动模式的软体动物运动特点,得出了软体机器人实现三种运动模式的运动机理,然后在此基 础上完成了软体机器人的总体方案设计。软体机器人用模块化的设计思想,由运动单 元和分离单元组成。每个运动单元包括了偏转单元和螺动单元。在此基础上,设计了软 体机器人的偏转单元和蠕动运动单元以及头尾连接结构。 (2) 仿生软体机器人运动学仿真和实验研究。利用多刚体运动学软件对软体机器人的两种典型的运动模式滚动运动和螺动运动进行运动学的仿真分析。基于伪刚体模型建 立仿生软体机器人在 ADAMS 中的滚动仿真模型,得到了仿生软体机器人在 X 轴方向和 Y 轴方向的运动位移和速度曲线图,给出了仿生软体机器人滚动运动的控制策略。建立 了软体机器人在 ADAMS 中的D动运动仿真模型,获得了软体机器人在平面上的运动位 移和速度曲线图。利用实验现有的材料和设备,加工一个仿生软体机器人的原理样机, 设计了可同时控制 SMA 弯曲驱动器的运动控制系统。然后通过实验的方法对软体机器 人的运动状态转换和滚动运动进行研究,得到了软体机器人两种运动状态转换的可行性 方案以及软体机器人滚动运动的特性。 (3) 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器的力学模型。基于三维空间力系平衡关系,分别建立了 SMA 线性致动器的力平衡关系,弹性基板的力平衡关系和弹性基板的力矩平衡 关系,综合这三个平衡方程获得了平板弯曲驱动器的动力学模型。 (4) 内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器的的仿真和实验研究。对 SMA 准静态热/力Q合特性、动态热/力H合特性进行了详细的实验研究,得出了 SMA 丝在不同应力条件下 相变温度和应变的变化特性以及不同应变速率情况下的应力-应变特性。由于 SMA 具有 输出力大、变形大、较高功重比、低电压驱动和寿命长的特性,设计了性能稳定且可靠 的内嵌 SMA 丝的平板弯曲驱动器,并通过数值仿真和实验的方法对其驱动特性进行详 细的研究。 23 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 2.1 引言 在综合分析了仿生软体机器人各种运动模式的特点基础上,结合形状记忆合金的特 性,设计一种可变形软体机器人,这种软体机器人将滚动运动、孺动运动和 Q 型前进方 式集合在一起。在平坦路面上,机器人采用滚动运动,通过自身柔性变形推进,推进速 度较快效率较高,在通过狭小空间时,身体展开,用孺动运动以提高机器人的通过性。 而遇到沟壑或者障碍时,身体变形用￡1 型前进提高其越障能力。 本章首先对软体机器人的三种运动模式进行详细的研究,获得软体机器人实现三种 运动模式的运动机理。然后在此基础上完成了软体机器人的结构方案设计和各个运动单 元的结构设计。 2.2 仿生软体机器人的运动模式 目前的己经研究出来的仿生软体机器人主要由三种运动模式:滚动运动,蠕动运动 和运动。滚动运动具有较高的运动速度,特别是在平坦的地面上,滚动运动具有较高 的运动效率,但是其环境适应能力很差;而蠕动运动是软体动物中最常见的运动方式, 具有较好的环境适应能力和通过性,可通过狭小的空间;运动是螺动运动的高级形式, 其越障能力更强,但是这两种运动模式的运动速度和效率都非常低。设计一种软体机器 人将这三种运动模式结合起来,在不同环境中采用不同的运动方式,使软体机器人的运 动效率和环境适应能力有效的结合起来。 2. 2. 1 软体机器人运动机理螺动运动一般存在于蛇和一些掘土无脊椎动物。其中姐贼的运动是最典型的孺动运 动方式[123]。如图 2.1a 所示,M贼的整体结构是首尾对称的,由许多的环节所组成,属 无脊椎环节门动物。姐卿身体的外层是环肌,内层是纵肌,体表则有刚毛。当环肌收缩, 体节的直径减少,但是长度增加;类似地,当纵向肌肉收缩,从而降低了体节长度,直 径相应的增加,但是体节的体积不变。为了提高运动的速度和效率,部分体节表面布上 了刚毛(一般为 8%)。当体节的直径扩大时,刚毛向外延伸使其能够紧紧的抓住地面。 实验观察表明,姬 4 引的运动速度和伸长率/周向应变取决于它们的质量。一般情况下,更 大姐贼爬行的绝对速度大于较小的蛇卿,但在当它们的身体恢复到初始状态时,具有相 同的相对速度。姬姬依靠自身体节有节律的伸缩运动实现前进和后退,它蠕动过程可以 分为四个部分(图 2.1b): (1)第一节纵肌收缩,环肌舒张,体节缩短,刚毛伸出;(2) 25 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 第二节纵肌舒张,环肌收缩,刚毛收回;(3)第二节纵肌收缩,环肌舒张,体节缩短, 刚毛伸出;(4)第一节纵肌舒张,环肌收缩,刚毛收回。 t :w 3― - T 二‘::sii.4.‘aarr&T?-py ?丨、 二.. *&' VHPIililiPB.工一..?i.Ui 2. it ft, 3.沐带:4. an: r&.纵肌:6.i 毛机 i 一7.衣皮;8.扩:y.t4 粒:1(1.播联;iz m-t: ? “1-. 1:1.坤辟农:丨 6.扬:ii,M.i5.ir mn 的解剖示意图 (b)KKI 的运动原现 图 2.1 lliEife 引的运动示意图CI 运动是螺动运动的特殊形式,其中尺蠖的运动是典型的 Q 运动。尺@拥有两种运 动模式:蠕动运动和 n 运动(图 2.2)。^^运动是爬行在崎妪的地形和攀爬在墙壁上一个 简单的方法。不同于蛇纟?丨的蠕动运动的顺序运动,II 运动是有多个运动段组成,只有第 一个和最后一个段接触地面,而中间段弯曲成 D 形状,通过其肌肉收缩和延伸来提供驱 动力使其向前运动。尺镬的中间部分不接触地面,只通过头尾两端的交替运动来实现其 运动,它运动每一步相当于身体的长度。运动能够以较简单的控制方式实现较复杂的 运动且身体可以小型化,仿生较容易实现。 ■■■■■■■■■
f (a)尺嫂的麟动运动模式 ’;十.泛 1 、丨 i : ―^:挪 (b)尺蠖的运动模式 图 2.2 尺蠖的两种运动方式 滚动运动相对于以上两种运动方式,虽然在自然界中并不常见,但是仍然有一部分 软体生物用滚动运动作为自己的第二运动方式。目前最常见的滚动运动软体机器人是 由自身身体形状的变化,通过弹性势能转换来实现机器人的滚动运动【124_127】 。如图 2.3a 26 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 所示,假设机器人是在地面上是稳定的;软体机器人通过自身的变形,身体的外形会产 生改变(图 2.3b),其自身的重力相对于机器人与地面的接触点会产生一个力矩,机器 人此时处于一个不稳定的状态,在重力力矩的作用下,滚动到稳定状态(图 2.3c)。然 后机器人本身存储的弹性势能使其形状恢复到初始状态,以便进行下一步的滚动。通过 反复的执行稳定状态-不稳定状态-稳定状态,软体机器人可实现连续的滚动运动。 ???(a) (b) (c) (d) 图 2.3 软体机器人滚动运动原理示意图 通过以上的分析可以得知,孺动运动(包括 Q 运动)和滚动运动的最大区别是,螺 动运动时机器人的身体的形状是一个开环状态,而滚动运动是一个闭环状态。但是它们 也有一个共同点,都是通过自身身体形状的改变由弹性势能转换为机器人向前运动的动 能。因此通过改变机器人的身体的外形可以实现两种身体状态的切换,在各自的身体状 态下,利用身体的变形来实现其各自的运动。 2. 2. 2 可实现三种运动模式软体机器人的运动机制 从前面的分析可以看出,软体机器人实现三种运动模式的关键问题有两个:(1)由 于D动运动和滚动运动时身体状态是不一样的,蠕动运动时身体处于平直状态,而在滚 动运动时身体是环形状态。(2)身体必须具有较大的变形能力,这样才能够实现身体状 态的改变和运动模式的切换。为了更好的分析这三种运动模式,这三种运动模式被分成 了两种运动状态,分别是环形运动状态和直线运动状态。滚动运动属于环形运动状态, 蠕动运动和 D 运动属于直线运动状态。当软体机器人从直线运动状态转换到环形运动状 态时通过身体的变形使其身体逐渐变成环形,然后在其头尾连接结构的作用下使其连接 成一个整体(图 2.4)。在环形状态下,软体机器人通过改变身体的外轮廓形状来实现滚 动。相反的,如果从环形运动状态转换到直线运动状态,首先是首尾连接结构解锁,在 软体机器人身体弹性势能的作用下,软体机器人的首尾分离,使其恢复到直线运动状态。 在这个状态下,也是通过改变身体的形状来实现运动。图 2.5 是软体机器人的各种运动 模式示意图。 27 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 P- - - f -T& ‘ ** : -/f--'% ,. ‘((:,'} I J) 一 ⑷遂“状态 ■ “ ■■ :. sfc)身体齐 m 迎 &c)身. 图 2.4 软体机器人两种状态切换 V. ■ . . :■; 一 .、:?、. ;.. ‘ 今.-;.V ,? - 3r ^, /、、十 &1??,,《? &' V 4 & ‘ ^ V “ ^ ,?4 -?- ‘ ‘ ? &W?& -f 、、、‘”、、 、、、 、、、公、、、 、、、;^^^^^^、 、\\、、、.\\、?, ?‘ “ 、\、 、、 . :,、 、(?)‘/(0“0》??? J &?77777T^li^77rn77T&&^^^7777T^f?~~?7T^7&&&:-%i' ‘ 说’ “: ‘:‘:g!广:::?‘ A。 “ 1(H) *:洛? 〔-■■: ― ――^D―― ?._!_ I _ 口 fi 、.: C? ,:. ,W ?■.■,*?. Ar ?.,..、. V&'、?、 、?^、、、 、.、,、VAVW、V;WvV&、、、、V^ \'&\ VhV_^ 、、‘、 、、、 Jjfc:' s’ 々J /7 ;;/,;r'-S^-.. .;?￡ 1 |!^》/;_巧&》 ” )、、、 、、、.\、、、.V、〈\SVC〈*^S、 、、 、 、vvn\、 、:!;:^、、 、、A、.、?、二 ^I _&、、义、、、 、、^^义、、 、 、、《.、、 、、⒘爰谩xw、 -^:- ? “ Lc)a^,力搞式 、T :. r. ―?*(?_■*式.5?.':fe...―.☆)..%、. 犬》 、押 , r图 2.5 软体机器人三种运动模式 2.3 软体机器人的结构实现 2. 3. 1 总体结构方案设计 、. __ ?基于上面软体机器人多运动模式实现机理的分析结果,我们设计了可变形软体机器 人结构,软体机器人两种状态的转变需要头尾连接分离结构,而身体的变形则通过偏转 机构来实现。因此机器人来用三种基本结构作为软体机器人的身体组成部分:(1)m动 运动单元,螺动运动单元为软体机器人的蠕动运动提供驱动力,由 SMA 弹簧提供驱动 力,蜂窝单元存在弹性势能,通过 SMA 弹S和蜂窝弹簧的配合作用可以实现机器人的 波动运动。(2)偏转单元,通过偏转单元的偏转运动提供偏转弯矩,使得软体机器人能 够改变其外轮靡的形状。(3)头尾连接单元如图,头尾连接单元是用来连接软体机器 人的头部和尾部,并且和偏转单元配合使用可实现软体机器人运动状态的改变。将这三 种基本运动单元组合利用,即可实现软体机器人运动状态的转换以及在各个运动模式下 的运动(图 2.6)。软体机器人用 SMA 作为基本的驱动和骨架单元,结构简单易于实 现,通过对 SMA 反馈控制以及 SMA 组的时序控制,可以实现机器人的变形和运动控 制。图 2.7 是仿生软体机器人的总体结构图。它采用模块化的设计思想,由七个基本运 动模块和一个分离模块组成。 28 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 」 / }} ) / / f / / / / / / / / 7 ^ TV / // /^////////1 AV./ } J ?■/&?. ■?“ ' z , f z z y ' ^ ^ / /■ ^/^/ / 图 2.6 变形机器人的三种运动姿态 Q,/g* #1: 图 2.7 仿生软体机器人总体结构图 2.3.2 软体机器人弯曲驱动器设计 __ JJ ,j-gy' I ,A~& B *^r3r'.__^_ 1 1 图 2.8 偏转单元的三个偏转状态 如前所述,偏转单元在软体机器人的运动过程中起着非常重要的作用,它能改变软 体机器人的身体形状,配合头尾分离单元可实现机器人的运动模式切换。偏转单元在软 29 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 体机器人上有两个主要用:首先,作为的机器人的基本骨架,以支撑软体机器人的身体; 其次,作为驱动部件为软体机器人的身体的变形提供驱动力。为了实现三种运动模式, 偏转装置必须具有三个偏转状态(图 2.8)。即在螺动运动状态下,偏转单元能够保持平直 状态;而在另外两种运动模式下,偏转单元则能够双向偏转。基于这个要求,我们设计 了两种偏转单元。 (-)差动式 SMA 片弯曲偏转单元 如图 2.9(1:漆包线;2:PVC 管;3:SMA 片)所示,每个差动式 SMA 片弯曲偏转单 元由两个对称分布的 SMA 片组成,利用差动偏转的方式实现三种偏转状态。SMA 片 通过热处理可以获得设定的弯曲角度,为了提供 SMA 片的加热效率,我们用漆包线缠 绕 SMA 片,加热漆包线并通过热传导的方式将热量传递给 SMA 片。此外,为了将 SMA 片和地面绝缘,SMA 片用 PVC 管包裹起来。 图 2.9 差动式 SMA 片弯曲偏转单元结构图 (二)内嵌式弯曲偏转单元 如图 2.10 (1:弹性基板;2:SMA 丝;3:桂橡胶层)所示,我们提供一种内嵌式的弯 曲偏转单元。通过内嵌在弹性基板上的 SMA 丝的差动式的拉动实现偏转单元的双向偏 转。其中弹性基板用来支撑 SMA 丝,并提供弹性势能用于 SMA 丝冷却时的状态恢复。 弹性基板上覆盖了一层桂橡胶以便让 SMA 丝和弹性基板紧密的贴合在一起而获得较大的偏转角度。 i‘_ii 醐 I I I I 丨 li I■X lilfifl 丨咖 III :一 - . “ ..?-? J 图 110 内嵌式弯曲偏转单元结构图 30 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 这两种偏转单元的设计方案都能满足软体机器人的变形要求。差动式 SMA 片弯曲 偏转单元结的结构比较简单,但产生的驱动力比较小且偏转的频率也比较低的。内嵌式 弯曲偏转单元结构相对比较复杂,加工制造比较困难,但是偏转的频率和弯曲的角度都 比较大,有利于提高运动效率。 2. 3. 3 螺动运动单元结构设计 蠕动运动单元是由蜂窝结构和 SMA 弹簧组成。首先蜂窝结构不仅能够在轴向方向 上伸缩而且在径向方向上也能够弯曲,以便减少机器人在滚动运动是螺动运动单元对其 滚动的阻碍作用。虽然在同等规格下,SMA 丝的输出力大于 SMA 弹m的输出力,但是 SMA 弹S可以产生较大的位移。此外 SMA 弹簧的输出力能够满足软体机器人螺动运动 的需要(因为孺动运动的速度主要和 SMA 的相变频率以及蠕动单元和地面的摩擦力大 小存在着关系)。蜂窝结构和 SMA 弹簧有两种不同的配置方式(图 2.11): ―种是由单 个 SMA 弹簧和两个蜂窝结构组成,SMA 弹簧的丝径为 0.4mm 并置于两个蜂窝结构中 间;第二种结构则有两个 SMA 弹簧和一个蜂窝结构构成。SMA 弹m的丝径为(Umm 并置于蜂窝结构的两侧。通过简单的分析比较,我们需要第一种配置方案,其理由如下 i 首先直径 0.2mm 比直径为 0.4mm 的 SMA 丝的冷却时间更短,理论上的 SMA 相变频率 更高;其次,虽然通过控制两个 SMA 弹S伸缩量可以然蜂窝结构产生不同变形,进而 改变D动运动的运动方向方向,但是由于两个 SMA 弹S产生的力不可能完全对称,这 使得蜂窝结构的变形偏离了中轴线。从前面的分析可以看出,蜂窝结构不仅要有足够的 刚度来支撑的机器人的重量而且能够轴向的伸缩以便为 SMA 弹m提供必要的恢复力。另外,还必须能够在径向方向上弯曲。为了优化的蜂窝结构体,通过由 ANSYS 对蜂窝 结构进行了分析优化(图 2.12),其中蜂窝的厚度为 3mm,蜂窝结构的壁厚为 0.5mm。 (a)单蜂窝结构和双 SMA 弹S (b)双蜂窝结构和单 SMA 弹m 图 2.11 蠕动运动单元两种结构方案 31 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 ^^^^EM|ili^w-||ili.^HHSSB^^H 图 2.12 蜂窝结构的有限元分析图 2.3.4 头尾连接机构设计 软体机器人多运动模式实现的关键问题在设计一种头尾连接结构来实现两个运动 状态的切换。为了不破坏软体机器人的质量平衡,头尾连接结构的几何尺寸和质量约等 于蜂窝结构。分离装置结构如图 2.13 所示。软体机器人进行滚动运动时,头尾连接机构 处于锁紧状态(图 2.13a)。当 SMA 弹簧收缩时,在外界力的作用下头尾连接机构分离, 软体机器人实现运动状态的转换(图 2.13b)。 rH r^i iII1 :i??“ R I m iL―金 tu^ I (a)锁紧状态 (b)分离状态 图 2.13 软体机器人头尾连接机构 2. 4 本章小结 本章在详细研究了仿生软体机器人各种运动模式特性的基础上,结合形状记忆合金 的特性,设计了一种多运动模式软体机器人,获得软体机器人实现三种运动模式的运动 机理。在此基础上完成了软体机器人的结构方案设计和各个运动单元的结构设计。具体 工作和主要结论如下: (1)提出一种可实现三种运动模式的仿生软体机器人。在此基础上了获得软体机32 第二章仿生软体机器人多运动模式实现 器人实现多种运动模式的运动机理。 (2)完成了仿生软机器人的总体结构方案设计,并且对软体机器人的孺动运动单 元、偏转单元以及头尾连接结构进行了详细的研究。 ?-i,'33 第三章仿生软体机器人运动学仿真和实验研究 第三章仿生软体机器人运动学仿真和实验研究 3. 1 前言 软体机器人的运动包括了三种运动模式,滚动运动,蠕动运动和仿尺@运动。基 于前面的分析,这三种运动模式可以分为环形状态和直线运动状态。而这三种运动模式 中以滚动运动模式的实现最为困难。因此在本章中,主要以软体机器人滚动运动主要的 仿真和实验对象,通过仿真实验来分析滚动运动的特性和运动状态转换的可行性。 机器人仿真是机器人研究的一项重要的内容,它涉及机器人机构学、运动学、动 力学、仿真机器人的三维实现和建模以及机器人运动控制等。运动学仿真可利用计算机 的可视化和面向对象的手段,模拟机器人的动态特性,了解机器人工作空间的形态及极 限,揭示机构的合理的运动方案和控制算法,从而解决在机器人设计、制造和运行过程 中的问题,根据仿真的结果来优化机器人的结构设计和控制算法。基于伪刚体模型,利 用多刚体运动学软件 ADAMS 对软体机器人的两种典型的运动模式滚动运动和螺动运 动进行运动学的仿真分析,分析其两种运动模式的可用性和运动特性。然后基于实验室 现有的材料和设备制造了一台仿生软体机器人的原理样机,接着设计了仿生软体机器人 的运动控制系统,包括硬件设计和控制程序。最后对软体机器人两种运动状态的相互转 换进行可行性的实验研究,以及对仿生软体机器人的滚动运动进行实验研究以验证其滚 动实现的可行性和运动特性。 3. 2 仿生软体机器人的滚动运动仿真软体机器人的三种运动运动模式中,滚动运动通过改变身体的轮廓来,利用重力做 功产生运动,滚动运动具有较高的运动效率。通过对滚动运动的运动学仿真分析,一是 可以验证软体机器人滚动运动方案的可行性,二是通过对滚动运动进行仿真特分析,获 得机器人在滚动运动过程中的运动特性,最后是通过仿真提供一种对软体机器人滚动运 动的有效的控制策略,以便提高软体机器人在滚动运动过程中的运动速度和效率。 3. 2. 1 仿生软体机器人的仿真基础 机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems, ADAMS)是美国 MDI (Mechanical Dynamics Inc)公司开发的虚拟样机分析软件。 ADAMS 利用拉格朗日方程建立系统的动力学方程,从而可以对虚拟机械系统进行静力 学、运动学和动力学分析,输出各类运动曲线图但是 ADAMS 主要分析的是用 35 第三章仿生软体机器人运动学仿真和实验研究 刚性体构件组成的结构的运动学和动力学仿真,或者是对具有小变形量的柔性构件进行 分析。由于软体机器人是由柔性机构组成的,柔性机构是一种依靠构件元素的弹性变形 传输所希望运动的机构,其特征是机构中传统形式的铰链全部被柔性铰链所代替。软体 机器人的滚动运动是通过身体的大变形,改变身体的外轮廓,利用重力做功来产生向前 的滚动运动。为了让 ADAMS 能够对软体机器人进行运动学的仿真,采用伪刚体模型来 建立软体机器人的仿真模型。 伪刚体模型法可用于设计和分析具有集中柔度的平面全柔性机构。这种方法分析 的基本原理是将弹性杆模型等效简化为带阻尼器的刚性连杆模型然后再沿用已 经比较成熟的刚性体的结构学及运动学分析理论对重置后的机构进行分析与综合的方 法,可在保证分析精度的同时也使问题的求解得以简化。图 3.1 是大变形杆件的伪刚体 模型。这种模型是以刚性机构的运动学为基础,将柔性梁等效为较接在一起的两个刚性 杆件,并在关节处加