仿乌贼捕食腕伸缩和触腕弯曲的功能结构原型研究

哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕设计（文）选集仿乌贼捕腕伸缩触腕弯的功能构原型究波魁摘要了仿，结。关键词：肌肉性静水骨骼；形状记忆合金；仿乌贼柔性腕单元；矢量控制Asat：Thispaperdiscussesthemodeldesignofthequidlikearmunitbasedonthebendingfunctionandelongationandshorteningfunctionofthearmofthesquid.Meanwhile,itdiscussesthemechanicalmodeling,vectorcontrolmodelingandcircuitdesignofthesquidlikearmunit.itdevelopsthesquidlikearmunitbasedonmuscularandshape(SMA).Italsodemonstratestheofthestructuremodelandvectorcontrolmodelbasedontheactionandvectorcontrolword：muscularA,dem,rl1引言人类文明的历史也是人类认识、利用和改造包括自身在内的自然环境的历史。人们对机器人的幻想追已有3000多年，自199继问世[]弯曲、非结构化空间的应用受到较大限制。柔性机器人以其灵活性、柔韧性以及能在非结构化环境中研注[]性触曲究上义金ealloys，SMA)驱动的柔性动作单元----贼柔性腕单元。2仿乌贼柔性腕单元的仿生基础与结构设计2.仿乌贼腕单元的仿生基础图1由（Mrskleon的一种，静水骨骼是骨骼的一种。肌肉性静水骨骼最重要的生物力学特性是体积的不变性，它具有支体作力。图21乌腕-144-哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕设计（文）选集乌贼腕的弯曲可由位于一侧的纵向肌的收缩产生。当纵向这种趋于缩短的收缩力受到抵抗时，单侧纵向肌肉的收缩才会引起弯曲。如果没有对纵向压缩的抵抗，单侧纵向肌肉的收缩只会引起缩短而不是弯曲。对一个缩加[]。2.仿乌贼腕单元的结构设计结合乌贼腕的仿生基础，即在单侧纵向肌肉收缩，且收缩力受到抵抗时会引起乌贼腕弯曲的理论，设计了仿乌贼柔性弯曲腕单元模型，见图2。图2 仿乌贼性弯腕单模型SMA丝胶压的A两个仿乌贼柔性弯曲腕单元必要条件同时满足时，即可实现弯曲动作。仿乌贼柔性弯曲腕单元模型由顶、A驱动器、硅胶体、固定盘片、底座盘片五部分组成。2.仿乌贼腕单元的力学建模曲以组A驱动过组A驱动器的矢的组SA驱动器的联动包括三种联动模式，其组A组A动器动作”和组SA驱“组SA学型。立型几：1；2；3设A驱动器所能达为4；4。力学模型中出现的部图3和受力图2-4。）图 b）态图3 图 图4 图下面根据组SMA：(Rx)h )中θ度(；-145-11哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕设计（文）选集—距A驱动器a离)；x—简化后SMA器a距中性层的离)；h为130m；式1。中中中

Rh11) )ε后SA器a；(R1d)h12) )离(;d后SA器a距顶盘为1.5m；3(R2d)h13) )33——A器b、c的处变；(Rt2d)h14 )中ε；4式22、3、4、5是根据截面上间确定ε2、ε、4与ε1系。中

S1)r2(x-d)r2-(x-d)2 )2S1积2)；由右张角(；r为；1S22)r2(xd)r2(xd)2 )式中式67)；1rsnxd )r式8求由中性层左移。2 2t3(2)r33(xd)2r2(xd)2 )1 2 22 2t3(2)r33(xd)2r2(xd)2 -)2 S2 2式9、0分心。12xE221(1(xd)433(2d(xd)1—中—A器aE24St2(d)(N)； )E504×09；—-146-哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕设计（文）选集SA丝为02；式1列。2F4E33SE24S2E221 -)式22列。1FE221 -)1式中F力)；2F433S -)2式中F器bc在简化中心产生的合力()；3FE24S2 -)3式中F力)；式23、24、25求1、2、3的表式。力学有1566数用对角度随应变、硅胶体长度驱面离d变化的三条变化曲线，分别如图25、6、7。）1000°（度0°角曲50弯

）（角°20度20）（角曲10弯100 1 2 3 4SM驱动器应变

000 5 01 5m）020图5弯随SA驱动器变变的曲线 图2-6最大曲度随度h改变的化趋势弯曲角度与应变成近似的线性关系，离d很敏感，最大弯曲角度与最小弯曲角度竟相差了上百倍。这对结构设计具有指导意义，可以根据需要的最大弯曲角度设计相应的d；弯曲角，合论。°）°（度角

50004000300200100-30.511.522.533.544.5d（m）x1-3图27最随d改变的趋势2.仿乌贼腕单元的结构设计根据前图267，图8A、图27是用组A入器作。-147-哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕设计（文）选集图2-8仿乌贼柔性曲腕单结构 图2-9第一代仿乌贼柔弯曲腕元实物2.仿乌贼触单元的结构设计仿乌贼柔性触腕单元要实现两种类型的动作，一是“缩短，二是“伸长，设计思想是，先分别设计出能实现伸长和缩短这两种动作类型的原型，然后通过对这两种单元的结合研制出具有柔性的组A仿的，实现缩短功实。根据乌贼触腕的仿生基础，即对体积为定值的乌贼腕结构，径向尺寸的减少将会引起长度方向尺寸的增加这一理论基础，设计了仿乌贼柔性触腕单元（见图20）。a)三维型 b)整体型 c)拆分型图2-10仿乌贼柔性触腕元的两结构原型当“SA条同满时即现动A。3仿乌贼柔性腕单元的控制电路设计的SA采用大量的纵肌，配合一些横肌和环状肌的动作实现向任意方向的弯曲，但结构设计中不可能采用大量轴向的A嵌入三组SA驱动器，组A。3.矢量控制模型在横截面上看，驱动器与圆心的连线把截面圆均分为三个象限，同时也把三维空间分成互成12图1组A驱动器空间排布度β度θ图2。a)自然态动位置 b)驱动器位置图3-1三组A驱动空排布 图3-2定位角度β和弯角度θ对仿乌贼柔制位度β和弯曲角度θ数仿腕置了。-148-哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕设计（文）选集并控为r最后对每组驱动器计算出与定位角度相对应的脉冲电流，通电就可实现该定位角度和弯曲角度。A驱动[4图33控位角度为β为则2由和r。参考通间r与弯曲角度θ宽度与矢量合成有定2图间度到动器的通电参数，即可实现仿乌贼腕单元的控制。如果脉冲电流只通一个周期，将实现单次动作，脉即的。a)脉冲意图 b)参数示意图图3-3脉冲电流的计算3.矢量控制电路设计结构设计是仿乌贼柔性弯曲腕单元设计的关键，而如何用电路实现精确控制，使其在三维空间完动计部。基于ARL28单片机系。控组A动个T管相制图3-4中T管是一个通子编直。下面说明控制电路的原理。单片机的作用就是输出三路高低电平，每个输出管脚高低电平保持的时间是由外部的弯曲角度和定位角度共同确定的。控制电路的开发是在试验室现有的一块电路板上进行的，在A核嵌入μC/OS操作系统，该操各个函数，中断完成，。a)电路意图 b)控制电路部分图3-4控制电路原理图4仿乌贼柔性腕单元的实验基于前三章的模型设计、力学模型计算、结构设计以及控制设计，本章将进行仿乌贼柔性腕单的作验。4.仿乌贼腕单元在水中的动作实验以还下。图2为仿乌贼柔性图4-2(b)曲。-149-哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕设计（文）选集，经过后期的数据处理到间度表41乌弯在据。实验前用力学模型对第二代仿乌贼柔性弯曲腕单元的最大弯曲角度进行了计算。理论计算值为132.39为132.48证量可。a)自然态 b)最大弯曲状态图4-1柔性弯曲腕单元水中的作实验表4-2第二代仿乌贼柔性弯曲腕单元在水中不同电流参数下的最大弯曲角度（度）（）（） 04 .492.032 .318 679

0 0.66.78.5 2156.6 104

0 10.33.12.85.0311 4811.9 10.4

10 20 200.417.4240682 96 22512.9132.213.484.仿乌贼腕单元矢量控制的精度实验图2。图4-2(、(b、(c为0°为60。a)自然态 b)定位角度为0° )为60°图4-2矢量控制型精度验表1为不同定位角度制制际为5°的坐标纸，且测量中以°计位。表41矢量控制精度验（单为°）制度0 5 0 5 0 5 0际度0 5 5 0 5 5 0制度60 5 0 5 0 5 0际度60 5 0 0 5 0 5

5 0 5 0 55 5 0 5 55 0 5 0 55 5 0 5 5表41图3。-150-°°哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕设计（文）选集）（0度角际0度实

0 控制（图4-3矢量控制实际位角与理定位度比较从图43在000度误差为1离0°、0、0°较远的位置。其他三个。4.仿乌贼腕单元的实际应用构和串联结构。并联结构柔性机械手由三根相同的柔性弯曲腕单元构成，每一根手指均可完成任意方。串联结构理论上可以完成空间任意形状的空间曲线。图4动作状态，向内抓取和向外抓取的工作状态。除此以外，该机械手爪通过三根柔性弯曲腕单元的单独动作可实现多种动作。取 b)自然状态 c)向抓取图4-4柔性曲腕单元并联（准性机械手）图5是该柔性机械手爪的抓取实验图4-5(a)弯，图4(向指均可实现空间任意定位角度，任意弯曲角度的弯曲，所以并联的结果是该柔性机械手爪能很好地适，。a)向内曲取体图4-5

b)向外弯曲抓取塑料碗柔性弯腕单的并实验同时在实验中发现，该柔性机械手爪在整个抓取过程是准柔性的动作过程，在抓取物体的同时不致引起被抓取物体过大的变形甚至破坏，所以在服务、医疗、航天等特殊领域将会有很大的发展前景。-151-哈尔滨工业大学2009届本科优秀毕设计（文）选集结论科理研：507504L以乌贼柔性腕为研究对象，对其柔性弯曲和柔性伸缩动作机理进行了研究，并以此为仿生基础，进行了仿乌贼柔性腕单元的模型设计、力学模型仿真、结构设计以及控制电路设计，同时成功研制出仿乌贼柔性腕单元，及基于仿乌贼柔性腕单元的串并联结构。最终以仿乌贼柔性腕单元动作实验为依证行了目。主：.性的柔腕；.基；3.研制了基于仿乌贼柔性弯曲腕单元的串并；还：1.研究了乌贼柔性弯曲和柔性伸缩功能的动；2.分别建双A性计验论正；3.开发了基于ARM7式μC/OS