《一种新型软体仿生机器人的结构设计》8200字（论文）

一种新型软体仿生机器人的结构设计摘要仿蚯蚓机器人作为一种新型软体仿生机器人，在各个领域都有这一定的应用能力，由于其适应性好，并且体积大小不受限制，可以用于各种环境下工作，可以用于灾后搜救，医疗检查，管道检测等方面。本文设计了一种利用气囊作为主体的蚯蚓仿生机器人，其具有更好的适应性，可在灾后搜救中起到重大作用。本文主要介绍了蚯蚓仿生机器人的驱动器选择，主体结构，运动方式，运动机理，以及蚯蚓仿生机器人的具体制备过程，本次设计的蚯蚓仿生机器人由气囊驱动作为软体驱动器进行驱动，气囊是由3D打印机打印模具再利用硅胶填充模具制作而成。本次设计的蚯蚓仿生机器人最终由三节气囊、头尾机体与连接机体组成，可以实现向前运动等运动功能，头部可以搭载各种传感器，摄像头等。可以更好的实现搜救、勘测等功能。关键词：软体驱动器，3D打印，仿生机器人目录第一章绪论 11.1题目的意义、目的： 11.2国内外研究现状： 11.3软体机器人的研究现状分析 31.3.1驱动技术 31.3.2制作方法 31.4本文主要研究内容 31.5论文总体结构 3第二章机器人结构设计 52.1软体驱动器及其材料选择 52.2驱动器的结构设计 52.3驱动器工作原理 82.4机器人结构组成 82.5机器人的动作原理 10第三章机器人的制备 123.1打印关键设备及材料 123.2制备过程 12第四章软体机器人的实验研究 144.1蚯蚓仿生机器人的移动性能试验 144.2蚯蚓仿生机器人的适应性测试 14第五章总结 15参考文献 16第一章绪论1.1题目的意义、目的：意义：软体机器人是以自然界的软体生物为原型而发展起来的一种机器人，其躯体主要由可以承受大变形的弹性材料构成。相比于传统的刚性机器人，软体机器人可以产生无限自由度的形变，使得机器人的某一端点可达到三维空间内的任意位置，可以进入构造复杂、空间狭小的一般刚性机器人无法进入的复杂环境。而且，软体机器人表面对压力的抵抗性比较低，可以和障碍物有很好的融合性。随着科学技术技的不断进步,人们对于自然界的生物有了更深入的研究，基于仿生学原理的各种仿生机器人越来越受到各国研究学者的高度重视。现如今，人们在仿生机器人方面已经取得了许多重要的成果。仿生机器人的价值也不断的体现出来，与传统的机器人相比，仿生机器人有着更加广阔的应用前景与发展潜力。目的：蚯蚓是通过控制不同节的径向尺寸粗细的顺序，实现运动，移动灵活方便。本文设计的蚯蚓仿生机器人是一种软体仿生机器人，能实现像蚯蚓一样的“无肢运动”，其具有良好的运动稳定性，适应地形能力强，结构体积较小，适应各种狭小的环境，关节不外露，可以很好的密封等优点。蚯蚓仿生机器人在许多领域具有广泛的应用前景，如在有辐射、有粉尘、有毒及战场环境下，执行侦察任务、在地震、塌方及火灾后的废墟中找寻伤员；在狭小和危险条件下探测和疏通管道等。本文设计了一种由软体气囊驱动的蚯蚓仿生机器人。其结构简单，驱动方式简单，制作方便，其在未来可能有很高的利用价值。1.2国内外研究现状：国外的仿蚯蚓机器人有Calderonl等人以蚯蚓为灵感1研发出的气动蚯蚓仿生机器人，其能够在管道内进行仿蚯蚓式运动。仿生蚯蚓爬行机器人基本运动方式是通过两个环形肌肉(径向执行器)和一个人造纵向肌肉(轴向执行器)来完成的，通过气动驱动模拟蚯蚓的运动并复制单个蚯蚓腔室的功能，所制作的软体机器人能够实现三个基本运动:水平运动、垂直运动和变斜率运动。另外还有Joey等人制作的仿生蚯蚓爬行机器人，其通过主动改变作用在其身上的摩擦力实现在平面上爬行。蚯蚓是分段的，由称为metameres的重复的单元组成。在爬行过程中，蚯蚓肌肉使这些单元相互作用从而产生蠕动波，并且可伸缩刚毛产生可变的牵引力。所制作的机器人采用气动驱动软执行器，并复制蚯蚓爬行时的这两个机制。机器人可以在具有不同摩擦系数的表面上模拟蚯蚓的蠕动爬行，同时利用可控子空间的概念，证明机器人在没有摩擦的情况下是不可能移动的。国内仿蚯蚓机器人研究值得借鉴的有浙江大学2005年研制的仿生“蚯蚓"机器人的SMA执行器。机器人的驱动器采用形状记忆合金弹簧，机器人的外表面有硅胶皮组成。当在SMA弹簧之上加一定电流，由于焦耳效应SMA被加热并收缩(在奥氏体态时)，硅胶皮因纵向受力而收缩弯曲;当撤去电流，SMA冷却，SMA弹簧回到塑性态(即马氏体态，这时具有较低的刚性)，硅胶皮本身具有的张力就能恢复单元原始形状，将SMA弹簧拉伸至原始位置。这样就可以是机器人模拟蚯蚓的运动机理运动。图1-11.3软体机器人的研究现状分析1.3.1驱动技术本文所研究的蚯蚓仿生机器人是一种软体机器人。软体机器人发展至今，已经诞生出了很多的驱动方式，如：形状记忆合金、介电弹性体、流体弹性、电活性聚合物等驱动方式，并且每一种驱动方式的使用方法、使用条件、制作方式等都有所不同。所以，选择一种合适的驱动方式对于本次蚯蚓仿生机器人的设计与制作十分重要，是本次研究的核心内容之一。1.3.2制作方法目前，大部分软体机器人都是利用模具浇筑进行制作，但是使用浇筑这种方法制作出的驱动器在精度等方面上一直存在很多问题。随着3D打印技术的发展，为了改善现有方法的问题，现在也有利用3D打印技术进行软体机器人的制作，但是这种方法的难度较大，要求较高，制作方法仍然需要进一步的改进。本次设计的机器人精度要求不是很高，并且制作条件有限，所使用的制作方式为模具浇筑。1.4主要研究内容本文主要对蚯蚓仿生机器人的整体结构设计，机器人驱动器的设计和制作进行了详细的研究，选出最适合的驱动器，并且对驱动器的运动原理、机器人的运动原理、机器人的运动方式进行详细的研究与介绍。本文还详细介绍了本次软体驱动器的关键制作设备和具体制作方法。在制作完成后，再对机器人进行简单的试验，测试其能否达到设计的预期效果。1.5论文总体结构第一章，主要介绍了软体机器人的研究目的、意义及其发展现状，并对软体机器人现存的驱动方式与制作方法进行简单介绍，最后，对本文的研究内容进行概括总结第二章，主要介绍了软体驱动器的选择与驱动器材料的选择。确定本次设计使用的驱动器为气囊驱动器，材料为硅胶。在确定驱动方式与材料后，对模具进行了设计，使其能够浇筑出所需的气囊。最后对驱动器的工作原理、机器人的整体结构、运动机理、运动方式进行了详细的介绍。第三章，主要对软体机器人的制备以及制备所用到的关键设备、材料进行详细的介绍，对驱动器气囊的浇筑过程进行了分步介绍，详细的描述了整个驱动器气囊的制作方法与制作过程。第四章，对已经制作好的蚯蚓仿生机器人进行实验，对机器人的移动性能与适应性进行测试。第五章，对本次设计进行总结。

第二章机器人结构设计2.1软体驱动器及其材料选择制作软体机器人的驱动器是设计软体机器人的关键，本文设计的是一种蚯蚓仿生机器人，需要实现在不同环境下的随意移动，具有良好的环境适应性。所以设计驱动器时首先要考虑的是机器人的工作环境，以确保驱动器在此环境下能够完成工作。其次要考虑的是驱动器的驱动方式与材料的性价比。现如今，软体机器人的驱动方式有很多种，如形状记忆合金、人造肌肉、流体弹性等驱动方式。（1）形状记忆合金：形状记忆合金合金也被称作SMA驱动器，是一类具有“记忆”功能的材料。它与普通的合金不同，可以保持自己的形状，在形状改变后通过加热又可以恢复到原来的形状。在驱动时对温度进行控制，使其不断地进行变形，达到驱动的效果。（2）人工肌肉:人工肌肉是一种离子交换聚合物金属复合材料，形变方式是对聚合物薄膜施加电压，使其发生弯曲。驱动时不断地施加电压使其不断的进行变形，达到驱动的效果。（3）气体驱动器：气体驱动器的研究始于上世纪50年代，是流体弹性驱动器的一种，经过多年的发展，气体驱动技术已经十分成熟，驱动器的工作原理是将气体充入气囊，通过气囊充气排气后的形变进行驱动。在以上几种方式中进行对比后，本次设计选用硅胶气囊式气体驱动器。硅胶气囊驱动器的承载能力高、整体变形能力好。气囊利用气泵就可以进行驱动，甚至有些小型驱动器利用针管就可以驱动，驱动条件简单。硅胶气囊的材料为硅胶，硅胶的韧性好、柔性好、制作方式简单、有较高的性价比。2.2驱动器的结构设计机器人驱动器实现的主要功能为伸长与缩短，硅胶波纹管式气囊在充气与排气时可以良好的实现伸长与缩短，可以完美实现机器人的功能需求，所以机器人驱动器气囊的设计为波纹伸缩管式。为了制作所需的气囊，需要对浇筑使用的模具进行设计与制造，为了制造出所需的圆筒形波纹伸缩管气囊，本次设计了下列模具：左右夹板、前后夹板、底座。为了得到想要的波纹形状，前后夹板的设计为波浪形，夹板可上下配合，中间留有波纹形状的空隙；左右夹板为简单的长方形片，主要作用是封住前后夹板的两侧并将前后夹板的左右固定住；底座为长方形凹槽，使用时将前后左右夹板插入其中，起到整体固定的作用。将模具组装完成后，就可以得到一个浇筑所需的波浪形空腔。模具结构如下：图2-1图2-2图2-3图2-4利用本次设计的模具制作出的硅胶模型为一个波浪状长方形片，将得到的长方形硅胶模型卷起并将波纹型截面的两端合并粘连在一起就可以得到一个波纹形伸缩圆筒，再将圆筒两端密封住，即可得到所需的气囊。2.3驱动器工作原理本次所设计的驱动器结构为圆柱形波纹伸缩管。圆柱形波纹管的横截面为波浪形，当硅胶气囊处于收缩状态时，波浪的角度很小，折叠在一起，当气囊充气时，气囊内部体积会变大，把波浪的形状撑开，使波浪角度变大接近直线状，波浪由折叠状态变为直线状态的过程中，长度会被拉长。同理，圆柱形波纹管在充气排气时整体也会被拉长与缩短，这样，整个硅胶气囊就可以通过不断地充气与排气来完成前后伸缩。截面伸缩情况如下图所示。图2-52.4机器人结构组成本次设计的蚯蚓仿生机器人由头部、尾部、机体1、机体2以及三节气囊组。如下图所示：图2-7头部尾部与机体1、2可以在蚯蚓仿生机器人的移动过程中起到固定作用，来保证机器人运动的方向性，如何保证方向性的原理与方法将在下文介绍。机体1、2在保证方向性的同时也起到了减少运动过程中的摩擦力、延长机器人使用寿命等作用。在机器人的运动过程中，机体1、2代替硅胶气囊与地面进行直接接触，机体1、2相比硅胶气囊，与地面接触的摩擦力更小，可以减少蚯蚓仿生机器人在移动过程中的摩擦阻力，使机器人的运动更加顺滑流畅；并且硅胶气囊不与地面进行直接接触可以大大减少运动过程中硅胶气囊的磨损，大幅度减少运动过程中硅胶气囊的磨损，可以极大地延长硅胶气囊的使用寿命。在机器人气囊故障时，采用机体1、2进行连接可以快速的进行更换修理。如果是硅胶气囊直接进行连接，在其中一个硅胶气囊损坏无法工作时，所有的硅胶气囊都连接在一起无法拆开，需要一起进行更换修理，而采用机体1、2进行硅胶气囊之间的连接时，在更换时只需要将损坏的硅胶气囊从机体、头部、尾部之间拆下进行更换，更换时对其他的硅胶气囊不会有任何影响。可以极大地减少修理所需的时间与工作量。机器人的头部结构为带有凸起的圆柱形圆筒，机器人头部的凸起可以起到导向性的作用，保证机器人在运动过程中会沿着同一方向前进，不会发生过大的偏移。并且机器人的头部可以按照需求搭载摄像头，传感器等设备，让机器人有更好的实用性。蚯蚓仿生机器人的头部如下图所示图2-62.5机器人的动作原理本次设计的蚯蚓仿生机器人的运动方式为通过每节气囊按照顺序充气放气实现每节气囊的顺序伸缩，利用气囊的顺序伸缩实现机器人整体的向前运动，机器人的运动大致分为以下四步。运动开始前，蚯蚓仿生机器人处于初始状态，三节气囊全部都为收缩状态。运动开始时，蚯蚓仿生机器人首先开始第一步动作，第一节气囊充气，气囊伸长向前运动，蚯蚓仿生机器人的头部会由于气囊伸长被推动向前运动，当气囊停止充气时，气囊不在伸长，机器人头部也随之停止运动。接下来进行第二步动作，第一节气囊排气收缩变短，同时第二节气囊充气伸长，此时由于第一节气囊的收缩与第二节气囊的伸长，一二节气囊的连接处机体1便会在第一节气囊的收缩前拉与第二节气囊的伸长前推的共同作用下向前运动，当第一节气囊收缩到最小状态时，第二步运动停止。第三步运动与第二步运动相似，第二节气囊排气收缩，第三节气充气囊伸长，利用二三节气囊的收缩与伸长推动二三节的连接处机体2向前移动，当第二节气囊排气收缩到最小状态时，第三步运动结束。第四步运动是第三步运动时伸长的第三节气囊的排气收缩，利用气囊排气收缩的拉力将蚯蚓仿生机器人的尾部向前拉动，当第三节气囊完全收缩时，第四步运动完成。在上诉四步运动过程中，为了保证每次运动都可以按照既定的方向运动，第一步将头部推出，第二步机体1向前运动，第三步机体2向前运动，第四步尾部向前运动。对蚯蚓仿生机器人的头部、机体1、机体2、尾部的重量比例进行调控，本次机体重量比例为头部：机体1：机体2：尾部，2：1：1：2。这样在第一步运动时，后三节总重量大于头部重量，在第一节气囊伸长时，后三节会起到固定的作用，保证气囊伸长时后部不会移动，只会将头部向前推出。在第二步时，头部的重量与后两节的重量大于机体1的重量，这样，在第二步运动时，头部和后两节便会起到固定作用，在一二节气囊收缩与伸长时，机体1便会由后部向头部运动。机体2的运动机理与机体1相同，都是利用前部和后部的重量大于移动机体的重量起到固定作用，保证机体2的向前移动。在第四步时，由于前三节的重量大于尾部的重量，在气囊排气收缩时，前部会起到固定作用，气囊收缩时会拉动尾部向前移动。经由上述四步运动后，蚯蚓仿生机器人会整体向前移动，不断重复上述四个步骤即可实现蚯蚓仿生机器人的不断向前移动。运动情况如下图所示：图2-8第三章机器人的制备3.1打印关键设备及材料本次蚯蚓仿生机器人的驱动器为硅胶气囊驱动，对于硅胶气囊的制作方法，一般为模具浇筑，本次制作所需的模具可以利用3D打印技术制作。3D打印技术又称为增材制造，是快速成型技术的一种，是近几年来备受关注的一种制造技术。3D打印技术可以在一个三维空间内打印出我们所需要的各种模型。是一种十分方便的制造技术。本次制作所采用的打印机为启迪3D打印机，打印的成型原理是熔融堆积。打印机的具体工作方式为：打印机的喷头在计算机的控制下沿X-Y-Z轴运动，并利用喷头加热材料，然后将其挤出，在通过喷头在三维空间内的不断移动将挤出的材料堆积出我们想要的模型。打印采用的材料为PLA，PLA打印出的模具具有良好的硬度，不容易断裂，具有良好的成型效果。制作的气动软体驱动器，需要具备良好的延展性、柔韧性。硅胶作为一种生活中很常见的物品，其延展性好、柔韧性好而且价格便宜，利用其制作气囊的方法也十分简单，容易操作，制作气囊的材料选为硅胶，且硅胶在制作的过程中不会产生任何的有毒气体等不良影响，所以硅胶是这次制作材料的不二之选。3.2制备过程制作硅胶气囊，首先要制作模具，然后利用制作好的模具进行浇筑得到想要的硅胶气囊，最后再利用3D打印技术打印出合适的模型，将我们制作出的硅胶气囊进行密封。硅胶气囊的具体制作步骤如下;利用建模软件进行建模，得到我们所需的模具模型。由于本次模具是利用3D打印技术进行制作，所以本次使用的建模软件为SolidWorks。利用SolidWorks软件完成建模，需要将模型导出为STL格式，因为模型转换为STL格式后才能导入到3D打印机中。将制作好的STL格式的模型导入到3D打印机中，模型导入完成后，需要进行3D打印机的参数调试，打印开始前可以通过改变打印的填充密度和打印速度来缩短打印所需的时间，打印的时间与填充密度的关系是不确定的，时间可能随打印密度的增加而减少也可能随打印密度的增加而增加，可以通过改变打印密度将打印时间缩短为最少的打印时间，两者的比例关系会根据打印的形状的大小不断改变。在本次打印的过程中，填充密度在40%时，打印所需的时间最短。在模具打印完成后，将打印好的各个模具组装到一起即可得到所需的模具，接下来就可以进行硅胶的填充浇筑。将准备好的硅胶与固化剂以200:1的比例进行混合，在混合过程要注意一定要充分的搅拌，均匀的混合固化剂和硅胶，在混合完成后，将硅胶倒入已经准备好的模具当中。等待硅胶完全凝固后即可得到我们所需的硅胶模型。在正常温度下，硅胶的凝固时间很长，可以通过加热的方式来缩短所需的时间。制作完成硅胶模型后，从模具中取出的硅胶模型还是偏平状，将得到的硅胶模型卷起两端合拢，卷成一个圆筒型，再将两端截面粘连到一起，得到一个圆筒形硅胶模型。紧接着利用3D打印出比硅胶圆筒两端稍大的圆片，将筒的两端空洞利用圆片盖住并密封好。这样，便可以得到一个密封的圆柱筒，再将两端圆片的其中一片开出一个通气孔，并将通气孔与气管密封好。经过上述步骤的操作后，可以得到一个密封性良好的可伸缩硅胶气囊，制作出的硅胶气囊是蚯蚓仿生机器人的一个驱动器。制作过程如下图：图3-1第四章软体机器人的实验研究4.1蚯蚓仿生机器人的移动性能试验本次设计的蚯蚓仿生机器人需要具备移动功能，为了判断机器人是否能达到预期要求。需要对蚯蚓仿生机器人进行移动性能测试，首先对机器人的气体驱动器进行试验，先对每个硅胶气囊进行充气排气，测试每个驱动器是否可以完成伸长与收缩，经过充气排气后，各个硅胶气囊均可以完成伸缩。气体驱动器达到预期要求。紧接着，对整个蚯蚓仿生机器人进行移动试验，按照前文所描述的方法对蚯蚓仿生机器人的驱动器进行充气放气，驱动机器人移动，在进行一整个充气放气过程后，蚯蚓仿生机器人可以向前移动一段距离，在不断地循环进行驱动后，蚯蚓仿生机器人可以不断地缓慢向前移动。蚯蚓仿生机器人的移动性能达到预期要求。4.2蚯蚓仿生机器人的适应性测试本次设计的蚯蚓仿生机器人，需要有一定的对于不同地形的适应能力，为了测试机器人的适应性，分别在瓷砖，柏油路面，普通土路上对蚯蚓仿生机器人的运动情况进行测试，测试蚯蚓仿生机器人在不同地形的运动情况，试验其能否在不同的环境下都可以完成工作。经过我们的测试，本次所制作的蚯蚓仿生机器人在不同的环境下都可以完成我们预期的向前移动，所以我们本次设计的蚯蚓仿生机器人的环境适应性达到了我们的预期要求。第五章总结本文设计了一种蚯蚓仿生机器人，通过设计模具、模具浇筑完成了对机器人气体驱动器的制作，然后再利用3D打印技术对机器人的其他部件进行打印制作。最后进行组装，完成机器人的制作。在机器人制作完成后进行实际的试验，在不同的地形上进行移动测试。本次取得的主要成果如下：（1）经过对比选取了合适的软体驱动器，对软体驱动器的形状进行设计与制作，对制作软体驱动器的模具进行了设计制作，利用3D打印技术制作了所需的模具与机器人的部件。（2）对软体驱动器的结构与原理进行了分析与说明。（3）对蚯蚓仿生机器人的运动方式与运动机理进行了分析与说明。（4）对机器人的适应性进行试验，证明其有良好的适应性。

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