原始研究的文章

前面。机器人。AI, 2023年7月17日
秒。柔软的机器人
卷10 - 2023 | https://doi.org/10.3389/frobt.2023.1210217

性能增强软机器人领域的手臂像树干

邵武唐 ^1、2 ^__,

开滦唐 ^1、3 ^__,

Shijian吴 ²,

肖殷 ²,

Sicong刘 ²,

胡安易 ^1、2*和

郑王 ²*

¹深圳市重点实验室智能机器人和柔性制造系统,南方科技大学,深圳,中国
²机械与能源工程系,南方科技大学,深圳,中国
³哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨,中国

像树干连续体机器人已经广泛应用于操作和运动。特别是,像树干软武器展览高灵活性和适应性非常类似于自然界的生物。然而,由于连续和柔软的身体,他们的表现在负载和空间运动是有限的。在本文中,我们调查关键设计参数对机械性能的影响。验证是一个更大的工作空间,横向刚度,有效载荷和弯矩可以通过调整软材料的硬度、模块部分的高度和排列致动器半径。尤其是排列半径增加55%会提高25%的横向刚度和弯矩55%。增加80%段高度范围将扩大112%的伸长和70%的弯曲。大约200%和150%的增量部分的横向刚度和载荷力,分别可以通过调优软材料的硬度。这些关系使像树干的设计定制柔软的手臂,在这个逐渐减少结构确保稳定通过敦实基地的影响相比减少50%的小费,并确保灵巧的长尖相对大的弯曲范围超过400%的基础。完整的设计理念的方法,分析模型,仿真和实验开发提供全面的指南像树干软机器人设计,使高性能机械操纵。

1介绍

大象的鼻子和章鱼触须在狩猎和喂养表现出惊人的灵活性和健壮性(威尔逊et al ., 1991;里希特et al ., 2015;吴et al ., 2018)。受到这样灵巧的附件中发现自然界的生物,很多应用在机器人操纵了(2003年汉纳和沃克;Calisti et al ., 2011;保et al ., 2020和把握王et al ., 2019;谢et al ., 2020)。特别是,迅速的新兴研究领域,软机器人依靠固有的遵从性和灵活性造成类似于生物特性软材料(金正日et al ., 2013;罗斯和瘦身。,2015年;Laschi et al ., 2016)。有了这种独特的特性,广泛探索像树干软连续体机器人展示了性能优越的扩展和弯曲movementswith无限个自由度通过不断叠加多个段,表明高适应性处理各种复杂环境(陈et al ., 2019;关et al ., 2020;陈et al ., 2021;赵et al ., 2021)。这表明,像树干柔软的手臂有潜在的广泛应用。然而,工作区中的性能和负载是严格限制的连续体配置,从而探索从软驱动器集成机器人系统。

努力改善软制动器的性能通过材料和结构设计一直追求过去几十年(Polygerinos et al ., 2015 a;谢et al ., 2020)。例如,作为机器人的核心单元,气动驱动软致动器利用纤维等增强结构和刚性骨架很大程度上增强的功能空间运动和输出力(De Volder et al ., 2011;Polygerinos et al ., 2015 b;王et al ., 2016;帕特诺et al ., 2018)。特别是最近的事态发展在软折纸驱动器使改进的可编程性能(马丁内斯et al ., 2012;易et al ., 2018 a;易et al ., 2018 b;苏et al ., 2020;沈et al ., 2021)。基于这些基础研究工作,软连续体机器人的发展促进了集成这些软并行执行机构和纵向方向(Bishop-Moser et al ., 2012;陈et al ., 2019;乔et al ., 2019;陈et al ., 2021;李et al ., 2022),单独呈现可控自由度可控工作空间可扩展性受益于软致动器模块之间的协调。最近,soft-rigid混合机器人具有刚性约束的部分加强结构刚度已经证明了改进的负载和软连续体机器人工作空间(周et al ., 2018;苏et al ., 2020;刘et al ., 2022)。这些非凡的努力大大增强软机器人的能力和动机相关工作在柔软的机器人。另外,软致动器的布置方法也会影响机械性能(罗伯逊et al ., 2017;奥尔森et al ., 2019;Zhang et al ., 2020;Brancadoro et al ., 2020)。它开创性的验证了考虑McKibben致动器和其他纤维增强致动器。这种方法是重合的树干的生物特性,大象的鼻子构造几乎完全的肌肉完全软圆锥形结构(威尔逊et al ., 1991)。肌肉的安排不仅提供了必要的力量运动也需要支持的力量主干结构(2001年汉纳和沃克),从而显示了潜在的性能增强的机制。这导致了更一般的分析这些方法的理想的机械性能。

在本文中,我们提出一个设计规则的软折纸模块(SOM)段和显示,可以很大程度上提高其性能调优的关键设计参数。与发达的理论分析,有限元方法(FEM)模拟和实验验证,验证是一个更大的工作空间,横向刚度,有效载荷和弯矩可以通过调整软材料的硬度、模块部分的高度和排列致动器半径。尤其是排列半径增加55.56%会提高25.18%的横向刚度和弯矩55.59%。增加80%段高度范围将扩大112.66%的伸长和70.84%的弯曲。大约200%和150%的增量部分的横向刚度和载荷力,分别可以通过调优软材料的硬度。这些关系使像树干的设计定制柔软的手臂,在这个逐渐减少结构确保稳定的矮壮的基地的影响相比减少50%的小费,并确保灵巧的长尖相对大的弯曲范围超过400%的基础。

本文的主要贡献包括以下几点:1)像树干机器人的模块化的设计规则部分揭示了关键设计参数(软材料的硬度、模块部分的高度和排列致动器的半径)的重要功能(工作区,横向刚度、轴向力和弯矩)为增强性能的定制。2)整体设计和分析方法,模拟和实验验证的原则和方法指导设计。3)的发展像树干软机械手臂的设计规则的指导下,固定端显示增强稳定段提示和技巧。

2概念、建模和设计

我们的核心设计规则概念构建一个像树干软机械臂有两个方面需要考虑。一方面,像树干机器人的模块部分的重要功能完全取决于其设计参数;另一方面,指的是大象的鼻子的生物学特性,细分模块在不同的位置(从结束提示)有不同的功能和需求等的稳定性和鲁棒性的固定端和技巧免费提示(见图1)。这个先决条件,所需的性能增强SOM段通过调优排列半径,高度,和软材料的硬度,这将在下面讨论建模。

图1

图1。SOM段的概念。(一)灵活和健壮的大象鼻子。两个SOM段不同的参数(B)并表现出不同的表演(C)。(D)像树干柔软的手臂叠四段。

建模的SOM段从折纸致动器的特性。基于我们以前的工作在不同的折纸装置设计(郭et al ., 2019;刘et al ., 2021),软折纸装置与轴向扩展/收缩运动和全向被动合规是本研究利用。

柔软的折纸层所示图2一个;与不平等的基本配置是一个六角长和短。总长度 $l_{0}$ 和横截面积 ${年代}_{e}$ 软的折纸可以表示为一部分

l_{0} = h_{0} N, (1)

{年代}_{e} = \frac{\sqrt{3}}{4} ({一个}^{2} + b^{2} + 4 一个 b), (2)

在哪里 $h_{0}$ 是一个折纸的初始高度层, $N$ 是层数, $一个$ 和 $b$ 六边形的边长。折纸二面角角度可以被压缩或扩展通过提供相应的执行机构的室的压力,导致致动器轴向伸长或收缩。这里,当致动器自由伸长没有障碍,它的总长度 $l$ 可以表示为

l = l_{0} + 2 h_{B} + Δ l, (3)

在哪里 $Δ l$ 致动器的伸长和吗 $h_{B}$ 板的厚度。另一方面,当致动器的伸长受阻,轴向载荷力 $f$ 外面可以表示为

f = p {年代}_{e} - K \cdot Δ l, (4)

在哪里 $p$ 内部压力和吗 $K$ 软折纸致动器的刚度系数,这是软材料的硬度有关。

图2

图2。SOM的建模和设计。(A, B)设计图纸的折纸驱动器和SOM段。(C, D)方案草图的弯曲段3 d视图和ABCD计划视图。

软执行机构具有高非线性由于弹性材料和灵活的结构设计,所以还有一个非线性执行器的伸长和压力之间的关系。这个非线性被忽略在我们之前的建模工作(郭et al ., 2019;刘J et al ., 2021;沈et al ., 2021),导致较大误差之间的拟合曲线和实际的性能。因此,二次函数是用来适应压力和位移之间的关系建模:

Δ l = k_{1} p^{2} + k_{2} p + k_{3}, (5)

在哪里 $k_{1}, k_{2}, k_{3}$ 多项式的系数将安装在验证部分。到目前为止,我们已经建模的伸长和轴向载荷力一个软折纸致动器。然后,我们将模型的性能模块部分由四个并联致动器。

平行粘结四折纸致动器两个相同板块(见图2 b),两人合规,SOM段的空间线性运动和omnidirectional-bending运动。结果,相关的工作区,轴向载荷力和弯矩进行建模。图2 c, D展示的空间姿态段在笛卡儿坐标系统。

我们假设每个执行机构的内部压力变化时,忽略驱动器之间的对抗,这四个致动器将经历不同的变形,并最终离开段常曲率的稳定状态(贝et al ., 2008),从而导致部分弯曲的弯曲角度 $θ$ 、等效高度 $l_{米}$ 和偏航角 $φ$ 常曲率半径 $r$ 所示图2 c, D。这四个姿势变量 $l_{米}$ , $θ$ , $r$ , $φ$ 是直接关系到四个致动器的长度和半径排列。他们的长度定义为 $l_{我}$ ( $我 = 1、2、3、4$ )和排列半径 $R$ ;然后,他们的关系可以表示为

\{\begin{cases} l_{1} = θ (r + R 因为 φ) \\ l_{2} = θ (r + R 罪 φ) \\ l_{3} = θ (r - R 罪 φ) \\ l_{4} = θ (r - R 因为 φ) \end{cases} 。 (6)

系统的情商6解决,这些姿势变量 $l_{米}$ , $θ$ , $φ$ , $r$ 可以表示为

l_{米} = \frac{l_{1} + l_{3}}{2} = \frac{l_{2} + l_{4}}{2} = \frac{1}{4} \sum_{我 = 1}^{我 = 4} l_{我}, (7)

θ = \frac{\sqrt{{(l_{1} - l_{4})}^{2} + {(l_{2} - l_{3})}^{2}}}{2 R}, (8)

φ = 棕褐色 {(\frac{l_{2} - l_{3}}{l_{1} - l_{4}})}^{- 1}, (9)

r = \frac{2 (l_{1} + l_{4}) R}{\sqrt{{(l_{1} - l_{4})}^{2} + {(l_{2} - l_{3})}^{2}}} 。 (10)

方程7- - - - - -10显示,段的姿态可以完全定义为长度的四个驱动器及其排列半径。基于姿态变量,上盘的中心点的位置 $O_{2}$ 在笛卡儿坐标系统可以进一步计算

\{\begin{cases} O_{2 - x} = r (1 - 因为 θ) 罪 φ \\ O_{2 - y} = r (1 - 因为 θ) 因为 φ 。 \\ O_{2 - z} = r 罪 θ \end{cases} (11)

到目前为止,方程式6- - - - - -11建立一个线段的端点的位置在笛卡尔坐标和参数影响段工作区已经确定。然后,有效载荷性能包括轴向力和弯矩将建模。轴向载荷力 $F_{o u t}$ 和弯矩 $米_{o u t}$ 可以通过总结每个驱动器的输出力如下:

F_{o u t} = \sum_{我 = 1}^{我 = 4} f_{我}, (12)

米_{o u t} = \sum_{我 = 1}^{我 = 4} f_{我} \cdot R_{我}, (13)

在哪里 $R_{我}$ 是力臂系数,它可以表示为

[\begin{array}{c} R_{1} & R_{2} & R_{3} & R_{4} \end{array}] = R \cdot [\begin{array}{c} 因为 φ & 罪 φ & - 罪 φ & - 因为 φ \end{array}] 。 (14)

方程12和13精心设计的轴向载荷力的重要表现和弯矩都与执行器的输出轴向力。

用情商4在方程式12,13之间的关系,我们可以计算SOM段的载荷力,弯矩,这些致动器的内部压力和伸长

F_{o u t} = \sum_{我 = 1}^{我 = 4} (p_{我} {年代}_{e} - K \cdot Δ l_{我}), (15)

米_{o u t} = \sum_{我 = 1}^{我 = 4} [(p_{我} {年代}_{e} - K \cdot Δ l_{我}) R_{我}] 。 (16)

因此,方程式(7)- - - - - -(11),14,15是用来代表工作区,轴向载荷力,和弯矩在这个研究,关键参数的排列半径,致动器尺寸,和软材料硬度。将用于指导设计的关系并与模拟和实验验证。

3制造和驱动系统

模型后,六个SOM段变体设计,命名为“ $R$ - - - - - - $N$ 肖氏硬度。” $R$ 致动器阵列的半径, $N$ 是折纸的数量层(段高度呈正相关),肖氏硬度是柔软的材料(Meththananda et al ., 2009)。详细列出表1。折纸执行机构给出的其他参数表2。

表1

表1。六个SOM的名称和参数段变异。

表2

表2。几何的软折纸致动器。

探索对模块部分性能参数的影响,这六个变量表1是捏造的。首先,赋予段无限个自由度和全向运动,柔软的材料选择折纸致动器是一种polyurethane-based硅橡胶Hei-Cast 8400,我们可以灵活地调整肖氏硬度通过改变Hei-Cast 8400液体的比例,B和C (王et al ., 2021)。

然后,两管连接器(KQ2S04-M5 SMC有限公司),两端帽(由铝合金、数控加工),两个面板(尼龙做的,3 d打印),和一个软折纸部分是用来制造一个软折纸装置如图所示图3一,步骤如下:1)连接组装M5线程结束帽,和挤压橡胶提供的密封性螺纹装配所示图3 b。(2)面板的孔直径为16毫米,这比结束的轴直径大帽(15毫米);甲基丙烯酸酯胶填充孔和轴之间的差距中发挥作用的粘结和密封所示图3 c。(3)最后面临的软折纸六角槽的设置面板部分(4.5毫米宽度和深度1.8毫米),他们被cyanoacrylate保税和密封胶。的整体外观软折纸致动器中可以看到图3 d。完成后致动器的制造、装配的SOM段进行。两个包板和四个致动器组装成一个SOM段所示三个自由度图3情况。

图3

图3。(一)——(D)制造过程的软折纸致动器。(E) - (H)三自由度段记录和相应的驱动方案。三组包板半径不同的排列(我)和三组的折纸层和肖氏硬度的两组(J)是捏造的。(K)疲劳试验重复10000次。(左)驱动系统,控制器,水泵,阀门驱动部分。这个盒子的尺寸是31厘米* 26厘米* 20厘米。(M)气动执行机构的控制系统示意图。

基于前面分析的结论,肖氏硬度,高度的模块部分,和排列致动器半径是影响性能的三个主要参数的SOM段。根据这些参数,三种半径包板和四种致动器准备所示图3 i, J。

到目前为止,已经有6个变种被伪造。以确保这些变异是可行的,可以反复动作,36 - 7 - 90 a段是10000年作为一个例子来执行重复的疲劳测试,结果绘制图3 k。在该测试中,0 kPa - 70 kPa气压不断给到一个执行机构,导致弯曲周期在10 s。结果表明,该模块能正常工作在10000年周期(可能是一个更高数量的周期)。图3 k表明,联合模块工作一致性RMSE为0.2°在第5000和第10000弯曲周期。

统一和有效的试验,一个驱动系统开发中所示图3 l, M,主要由一个控制器板(Arduino大型2560),两个气泵(KVP8 + - KB-S金),两个空气坦克,32气动电磁阀(T103U-BM OST)。提高驱动能力和实验,该系统采用开环控制。在细节,执行器内部的压力由压力传感器显示(ISE30A-01-N, SMC)。压力值相对稳定,由于良好的密封性和电磁阀的响应能力。然后用户向控制器发送相应的指令通过观察内部压力传感器来增加或减少的压力值。

4仿真和实验验证

4.1有限元方法模拟

除了设计参数、材料的超弹性和执行机构之间的对立也影响被忽视的细分模块的性能分析模型。因此,有必要建立一个更精确的和全面的仿真模型,以反映模块部分的全向运动和性能。在这部作品中,有限元模拟是进行有限元分析/ CAE(达索系统公司股价)。在这里,边界条件和预处理模型阐述了以简化SOM段36 - 7 - 70 a为例。

边界条件的三个模拟横向刚度、工作区和弯矩分别配置。所示的横向刚性边界条件图4一;底座是固定的,侧向力应用于上面的包板。上盘的中心节点的位移得到的可视化界面。然后,横向刚度可以通过一个简单的计算力除以位移。模拟(见SOM段的工作空间图4 b),底座也是固定的,压力是应用于所有的内墙折纸致动器。通过调查获取指定节点的位移上盘,我们可以计算部分的位置和姿态。在模拟载荷力和弯矩,底板和四个具体的表面上盘的固定所示图4 c。根据牛顿第三运动定律的行动和反应是大小相等,方向相反,我们可以计算加法这些节点的载荷力和弯矩的反应力的四个固定的表面。到目前为止,我们为所有的测试设置仿真边界条件。然后,这些模拟测试将进行的预处理。

图4

图4。设置和验证的有限元仿真模型。(一)——(C)不同模拟的可视化和相应的边界条件的有限元分析/ CAE软件。(D)哑铃状标本由Hei-Cast 8400肖氏硬度70 a和90 a和名义strain-stress曲线为单轴抗拉强度测试数据。(E)简化的有限元模拟部分组装,以减少计算工作量。段伸长的模拟试验(F)用于验证有限元模型的合理性,并显示结果(G)。

对于预处理,我们主要考虑软材料的属性。确保模拟和实际数据是统一的,70 a和90多个肖氏硬度哑铃型标本(见图4 d)进行单轴抗拉强度检测根据计算机控制的万能试验机(MTS标准模型42)200毫米/分钟的速度。获得的名义stress-nominal应变曲线断裂前标本所示图4 d。由于超弹性的和不可压缩特性,Mooney-Rivlin模型,应变能密度函数 $C_{我 j} = δ_{我 j} λ_{我}^{- 2}$ 是用来描述这种材料的非线性行为(Rivlin 1948)。尤其是材料系数 $C_{10} = 1.108$ MPa, $C_{01} = 0.555$ MPa(70肖氏硬度)和 $C_{10} = - 0.436$ MPa, $C_{01} = 5.949$ MPa(90肖氏硬度)。另一方面,僵化的铝板被认为是一个线性弹性材料的杨氏模量70 MPa,泊松比为0.3。

设置条件和参数后,应该将这些模拟测试的正确性和准确性。一群伸长所示进行模拟测试图4 f。底座是固定的,而上盘是免费的。当平等的压力应用于室的四个折纸致动器,段伸长。结果(见图4 g)表明,该仿真模型是稳定和有效的捕捉SOM的行为。因此,分析模型和仿真模型被用于以下实验结果的分析。

4.2工作空间测试

模型(7)-(11)之间的关系建立的工作区SOM段和致动器的伸长 $Δ l_{我}$ 、长度 $l_{0}$ ,排列半径 $R$ 。在这三个参数中,长度和排列半径为一个特定的部分,和伸长随执行机构的内部压力,如情商5。这里,我们进一步考虑伸长和内部压力之间的关系曲线拟合的方法通过实验中所示图5 c实验过程的准静态磁滞的软材料将被忽略。从实验结果,最小和最大压力提供致动器−15 70 kPa和60 kPa,和那些提供给执行机构−40 90 kPa和70 kPa。由于伸长和压力之间的非线性,伸长速率这两个执行器与压力的增加逐渐减小;二次函数,如情商所示5使用适合的伸长曲线内部压力与70 a和90 a,和拟合系数和二次函数如下:

Δ l_{我}^{7 - 70年 一个} = - 0.0052 p_{我}^{2} + 0.6857 p_{我} - 0.9435, (17)

Δ l_{我}^{7 - 90年 一个} = - 0.0017 p_{我}^{2} + 0.3444 p_{我} - 0.2562, (18)

在哪里 $Δ l_{我}^{7 - 70年一个}$ 和 $Δ l_{我}^{7 - 90年一个}$ 的伸长和七个折纸折纸装置层和 $p_{我}$ 内部压力。以来所有内部的墙壁致动器的压力是一样的,对于执行器有不同的层数,他们伸长需要乘以层的比率模型(17)- (18)。后替换模型(17)和(18)模型(7)- (11),SOM段的工作区和之间的关系建立了致动器的内部压力。这个分析模型将被用来讨论在接下来的测试结果。

图5

图5。测试的SOM段工作区。(一)素描的测试设置,固定底板和免费上盘和一个可移动的激光位移传感器跟踪上盘的中心标记。(B)测试设置;三轴位移中心标志的内部压力四个驱动器被记录。(C)实验结果和曲线拟合的折纸致动器的伸长。(D)模块部分拉伸测试结果与内部压力60 kPa和−30 kPa;伸长对折纸层是策划的数量。(E)最大弯曲角的结果对折纸层的数量和致动器阵列半径。(F)伸长的结果范围和弯曲对肖氏硬度范围。(G)设计参数对工作范围有重大的影响。

此前,工作区和压力之间的关系建立了数据拟合。在这里,我们专注于验证段之间的关系的工作空间和材料的硬度、身高、半径和排列。测试设置所示图5 a, B。高精度激光位移传感器(HG-C1200、松下)是固定位移平台的规模 $x$ - - - $y$ 方向。底座是固定的,和上盘的中心被标识为一个点。当上盘的位置发生变化时,激光传感器是用来追踪标记点的运动通过将旋钮和记录标记点的位移传感器。在这个测试设置,上盘中心的位置记录。

当四个致动器内部的压力是相等的,这些致动器的同步变形,伸长进行检测,结果绘制图5 d。由于压力的值是一个无关变量在这些测试中,为了减少伤亡和损失,致动器不提供极端的压力。在这些测试中,最大伸长(内部压力是60 kPa)和最低伸长(内部压力−30 kPa)的三个SOM段不同的折纸层测量。36 - 5 - 90 a段的延伸范围是16.75毫米,等于最大伸长9.55毫米(60 kPa)减去最小伸长−7.2毫米(−30 kPa);36 - 7 - 90和36 - 9 - 90 a段的延伸率分别为28.25和35.52,。结果表明,模拟和分析方法可以捕获段的伸长的特点,和之间的均方根误差分析和实验范围是1.82毫米,在伸长的预测验证模型的准确性。另一方面,实验结果表明,延伸率(伸长范围除以原始长度)仍然几乎不变在50%左右。它表明,延伸范围就是层数成比例,约为3.75毫米/层。

当内部压力的四个执行机构不平等、段将在相应的弯曲方向的约束和上盘底部,然后弯曲范围进行测试。在这些测试中,我们探讨了弯曲的部分相同的驱动压力范围 $x$ - - - - - - $z$ 飞机。的内部压力两个驱动器的正方向x设在(pl图5 b)60 kPa,其他两个的内部压力(pr)−30 kPa。弯曲范围数据所示图5 e测量并记录由惯性测量单元(IMU, CH100)。结果表明,折纸层的数量和致动器阵列影响最大的弯曲半径范围内。在这些领域中,一个最大的弯曲(23.6°)范围是36 - 9 - 90 a段和最小(11.7°)是56 - 7 - 90段。此外,实验结果和仿真结果之间的最大误差为3°,实验结果和分析结果之间是3.4°。总分析和实验之间的RMSE弯曲范围是2.24°。这些弯曲的错误可能是由于复杂的对抗四个致动器之间的交互。实验结果之间的偏差的主要原因和分析模型软执行器之间的对立。为一个模块部分平行排列驱动器、运动的执行机构可以传送到其他驱动器通过刚性面板中,形成一个对立。忽略了这项工作在我们的模型中,从而导致实验结果总是低于分析预测。

到目前为止,我们测试和分析设计结构参数之间的关系和段的工作区。软模块部分或软机械手臂,材料的硬度也是一个重要参数,影响工作。的比较的工作区36 - 7 - 70 a段和36 - 9 - 90 a部分所示图5 f。从结果,延伸范围和弯曲范围减少肖氏硬度的增加。的延伸范围36 - 7 - 90段为28.25毫米−30 kPa和60 kPa的压力下,18.49%小于34.66毫米的36 - 7 - 70之间的一段压力−15 kPa和60 kPa。弯曲的36 - 7 - 90 a段17.72°压力pl 60 kPa和公关−30 kPa,不到26.01%的23.95°36 - 7 - 70 a段压力pl 60 kPa和公关−15 kPa。在这些结果中,最大误差15.66%弯曲模型结果与试验结果之间的36 - 7 - 90段。

4.3横向刚度测试

抗变形刚度是一个衡量标准,和SOM的横向刚度的性能受到侧向力时抵抗侧向位移(Brancadoro et al ., 2020;刘et al ., 2022)。其值等于侧向力应用于结构除以侧向位移,这是相关的材料属性和SOM段结构。在本节中,横向刚度之间的关系和软材料的硬度、模块部分的高度和排列半径执行机构。测量横向刚度的实验设置所示图6。段的底座是固定的。固定滑轮和non-stretchable绳是用来权重的重力转换成侧向力应用于上盘的中心。此外,该平台图5 b也用于这些测试跟踪上盘中心的横向位移。在整个实验中,每个执行机构的管连接器插入保持致动器室关闭。减少材料疲劳试验结果的影响,之间有一个间隔2分钟每两组实验允许部分返回到初始状态。在此设置中,权重的重力,侧向位移上盘子,中心六SOM段记录。

图6

图6。段横向刚度的测试。(一)横向刚度测试设置;提供的侧向力是重力加速度的重量是9.78米每秒的平方;上盘中心的侧向位移测量使用激光传感器,如图5所示。(B)- - - - - -(D)横向刚度结果和激烈的比较一元变量。(E)平均六SOM段绘制的横向刚度,在水平坐标归一化参数比例。

横向刚度测试的结果绘制图6罪犯六SOM段分为三个单变量变量进行比较。测试结果表明,该有限元模型可以描述的横向刚度特性与肖氏硬度90段,最大误差为4.6%。至于36 - 7 - 70一段,有一个更大的错误,由于更大的弹性和非线性。除了排列半径、肖氏硬度和致动器的长度,对于这些SOM段,其横向刚度也受到侧向力的影响。例如,36 - 7 - 90 a段,当侧向力19.6 N,横向刚度是0.575 N /毫米,0.051 N /毫米比,当侧向力为4.9 N。

到目前为止,我们分别测试段的横向刚度之间的关系和软材料硬度、段的高度,排列致动器的半径。比较不同设计参数对侧向刚度的影响,这六个部分的平均横向刚度绘制图6 e在水平坐标归一化参数比例。结果表明,平均横向刚度最柔软的材料硬度的影响,平均横向刚度的36 - 7 - 90段5.52 N /毫米,2.98 N /毫米超过36 - 7 - 70的一段(2.54 N /毫米)。此增强功能达到217.32%。此外,在六个模块部分,横向刚度的36 - 5 - 90 a段是最大的6 N /毫米和4.34倍的36 - 9 - 90 a段。这些结果将是一个关键指标自定义模块部分和机械手臂的设计。

4.4轴向力和弯矩测试

SOM的负载功能在本节段进行验证。根据模型(15)和(16),当两个板块的SOM段完全固定,轴向载荷力和弯矩取决于折纸致动器的输出力。这一原则,部分是固定在实验平台中所示图7。在这个平台上,两个轴向力传感器(ar - dn102 - 500 n,图像)安装在同一距离上盘中心45毫米。力传感器都坚定地安装在铝框和上盘。有了这个设置,轴向载荷力可以直接记录下两个力传感器而弯矩可以根据简单的加载分析计算。两个条件进行测量轴向力和弯矩。当四个致动器驱动的平等价值内在的压力,将测量轴向载荷SOM段的力量。当四个致动器驱动与不平等的压力,产生弯矩和记录。

图7

图7。测试段轴向力和弯矩。(一)测试设置;底座和上盘固定;输出的力和力矩传递给两个力传感器。(B)分析和实验结果;两个部分的内部压力输出武力绘制。(C)分析和有限元输出力的结果。(D)三个部分的r - 7 - 90 a段时刻输出结果与三组的压力。

模型(15)表明,输出力是独立于排列半径和折纸层的数量。这里,SOM两段36 - 7 - 70和36 - 7 - 90 a与实验测试和分析结果绘制图7 b, C。内部压力值是正数时,轴向力的特点这两个部分是接近,最大输出力的36 - 7 - 70 - 390.1 N段,而36 - 7 - 90的部分是373.2 N .当内部压力值是负的,柔软的折纸结构将由过度的压力差(见倒塌图7 b的最小轴向力),导致36 - 7 - 70 a段的−75.1 N, 36 - 7−186.3 N - 90 a段近150%的增量在轴向力可以通过更换软材料从70年90硬度的硬度,验证提出了性能改进设计原则。相同的增加趋势分析和实验结果所示。轻微的偏差可以观察到由于软材料的非线性通货膨胀被忽视的分析模型。

在弯曲力矩的测试中,三组压力团体A, B, C是提供给每组四个致动器和四个压力值不相等,p1是正数,p3是负的,和p2和p4为零。三个部分的测试结果r - 7 - 90 a测量和绘制图7 d。仿真和实验结果表明,最大弯矩达到6 Nm左右压差90 kPa满足性能需求像树干机械手臂的基础部分。

到目前为止,我们探讨了段的性能与设计参数之间的关系,分析,模拟和实验方法。SOM设计规则的部分提出一个更大的工作空间,横向刚度,有效载荷可以通过调整软材料的硬度、高度和半径段。为了验证这一点,六SOM段制造和测试不同的设计参数。他们的表现(延伸范围,弯曲角度,横向刚度、轴向力、弯矩)中列出表3。

表3

表3。摘要SOM的部分性能。

从表中可以发现,总有权衡扩建工作区,并增加横向刚度。特别是大段高度,小段半径,和柔软的材料将会导致更大的工作空间而导致较小的横向刚度。例如,在这种情况下,一个段高度增加80%范围将扩大112.66%的伸长和70.84%的弯曲范围而导致有限的横向刚度。增加55.56%的半径将提高25.18%,抗侧刚度弯矩55.59%而导致较小的工作区。这些关系的发现使像树干软连接的性能定制的手臂。

4.5演示像树干软机械手臂

生物学特性的启发,大象的鼻子,一个稳定和可靠的固定端和灵巧的自由,像树干的基础部分机械手臂应该厚和短,以确保稳定,而技巧是越来越薄,以确保灵巧。然后,四个SOM段与特定的表演(从基础段提示:66 - 5 - 90 a, 56 - 7 - 90 a, 46 - 7 - 90 a,和36 - 9 - 90)所示组装到一个机器人手臂图8。软机械臂组装后,弯曲试验和冲击试验用于验证灵活性和健壮性的增强,分别。

图8

图8。示威活动像树干软机械手臂。(一)这手臂是由四段:66 - 5 - 90 - 56 - 7 - 90 a, 46 - 7 - 90 a, 36 - 9 - 90 a的基础技巧。(B)弯曲试验结果绘制(B)。(C)分析工作区和臂端点的位置测试。(d e)两种构型的胳膊,影响测试结果(外)。

验证灵活性的增强,弯曲测试进行。像树干机械手臂垂直悬挂,和强碱环节是固定而灵巧的线段所示是免费的图8。四个部分的执行机构一样由空气通风管,所以他们有相同的内部压力。此外,数据等部分的角 $θ$ 和端点的位置在笛卡儿坐标系统获得照片以固定相机的位置。尽管这种方法记录数据将添加一些阅读错误,它几乎没有影响测试结果的判断。在弯曲的测试中,真空提供八个致动器在左边,而压缩空气提供给正确的八个致动器。测试结果表明,每段弯曲角的增加显著的基础部分所示的提示图8 a, B和补充视频S1。最大的提示部分弯曲角为28.3°,超过400%倍基础部分。臂的弯曲角可以求和计算,每一段,最大的约71.5°。另一方面,分析工作区和轨迹在x z平面(绘制位置的迭代方程1- - - - - -11手臂的端点的端点和实验结果所示位置图8 c。从初始状态(p1, p2 = 0 kPa)到最大弯曲状态(p1 =−30 kPa和p2 = 70 kPa),实验和分析位置之间的协议结果演示了arm的良好的运动能力。

像大象的鼻子,厚基础段臂提供更好的鲁棒性。验证改善手臂的健壮性由于锥形结构设计,影响测试执行相反的两臂配置(从底部提示段,分别配置Ⅰ:66 - 5 - 90 a, 56 - 7 - 90 a, 46 - 7 - 90 a,和36 - 9 - 90 a;配置Ⅱ:36 - 9 - 90 a, 46 - 7 - 90 a, 56 - 7 - 90,和66 - 5 - 90 a)所示图8 d, E和补充视频S2。基础部分是固定的,和横向加载提示权重;是由切割绳子的影响。在这些测试中,端面的角度记录,并绘制结果图8外:我。结果表明,一方面,与驱动压力的增加和减少负载,振幅的影响和稳定时间越来越短,分别。例如,在配置Ⅰ,当负载的重量是2公斤,驱动压力是35 kPa,最大振幅为5.44°和稳定时间是1.43秒;当负载的重量是1公斤和70 kPa驱动压力,更好的鲁棒性的臂展最大振幅为1.96°和稳定时间0.92秒。另一方面,通过比较实验结果,它可以很容易地发现手臂配置Ⅰ展品更好的鲁棒性能与配置在不同条件下Ⅱ(减少稳定时间和70%的幅度平均为50%)。这个验证软臂的性能可以通过调整增强和自定义模块的设计参数。

这里,我们测试了运动和影响性能。这些结果使像树干的性能定制软臂(堆由多个段differential-parametric模块化集),基础厚,短确保鲁棒性,而技巧是越来越薄,以确保灵巧。这种方法提供了全面的软机器人的设计指南。

显然状态的性能增强定制模块部分和手臂的设计,主要的性能比较与其他模块的设计在文献中部分中列出的手臂方面表4。从这个表,performance-enhanced段和手臂证明驱动压力相对较低(75 kPa)可以诱导显著高负荷(390.1 N)和横向刚度(12.07 N /毫米),同时保留一个相对较大的伸长和弯曲角范围。

表4

表4。段和武器的性能的比较文学。

5结论和未来的工作

在这项工作中,我们揭示了SOM段的设计原则增强性能的工作空间,结构侧向刚度和载荷,探索定制软模段的规则来促进像树干柔软的手臂。为此,背后的主要参数设计和建模的SOM段进行调查,包括软材料的硬度、模块部分的高度和排列致动器半径。我们建立了性能与设计参数的关系,分析建模的空间运动学和力。进行了有限元模拟和实验验证来验证这些重要的模型。拟议的规则后,通过调整这些参数,软模段的性能增强。特别是,排列半径增加55.56%将提高25.18%,抗侧刚度弯矩55.59%。增加80%段高度范围将扩大112.66%的伸长和70.84%的弯曲。大约200%和150%的增量部分的横向刚度和载荷部队可以通过调优软材料的硬度,分别。进一步评估拟议的方法,像树干软机器人堆叠四段differential-parametric模块化集开发,其圆锥形结构确保稳定由于矮壮的基地的影响减少50%的小费,并确保灵巧的长尖相对较大的弯曲的范围超过400%以上的基础。这个方法可以作为设计指导和提供高性能的基础像树干的柔软的手臂。

在未来的工作中,更详细的结构参数和性能像树干的机器人将进一步考虑。运动学的控制系统和动态操纵像树干的机器人将被开发。此外,引力效应,非线性效应的软材料,和执行机构之间的拮抗效应将在分析模型中解决。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料;进一步调查可以直接到相应的作者。

作者的贡献

圣KT设计和捏造SOM段像树干机器人手臂。西南和YX设计并建造的控制和驱动系统。所有作者参与了SOM的实验和讨论部分。SL、司法院和ZW分析了测试结果,总结这项工作,并提出了未来的工作。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这项工作是由国家自然科学基金委资助51975268,共同支持52105021,深圳科学技术。&创新委员会授予ZDSYS20220527171403009 RCBS20210609104446099, JCYJ20220530114615034, JCYJ20220818100417038,广东基础研究和应用基础研究基金会2021 a1515110658,广东省人口增长的主要实验室和康复机器人在大学。

确认

作者要感谢分钟歌曲和文剑杨的援助记录实验结果。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2023.1210217/full补充材料

引用

Arleo, L。,年代t一个no, G., Percoco, G., and Cianchetti, M. (2021). I-Support soft arm for assistance tasks: A new manufacturing approach based on 3D printing and characterization.掠夺。添加剂。Manuf。6,243 - 256。doi: 10.1007 / s40964 - 020 - 00158 - y