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柔性软体机械手的设计与实验开题报告

 2020-02-20 10:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

近些年, 机器人产业吸引了各界人士的广泛关注。各国政府陆续出台发展机器人产业的政策与策略,各大企业争相收购机器人领域内实力强劲的研发团队,学术期刊亦将机器人学视为热点研究方向。《中国制造2025》将机器人作为重点领域之一进行大力推动,积极促进在汽车,机电等应用广泛的工业机器人以及个人/家用和专用服务等服务机器人这两方面的研发。根据所采用材料的柔顺性,机器人通常划分成刚体机器人和软体机器人两大类。软体机器人系统主要由四个子系统组成:驱动系统,感知系统,电路系统和计算机系统以及能源系统。随着软体机器人技术的快速发展,出现了一些软体仿人手,其具有很大的灵活性,自由度大,通过简单的输入能够实现比较复杂的动作。基于软体结构,软体仿人手能够适应不同的外形和结构特性的抓取对象,且不会损坏低强度且易碎的操作对象。因此,在某些需要完成特定任务的场合,软体仿人机械手拥有巨大的优势。近年来众多学者在柔性机械手方面做了大量研究,研制了多种柔性仿人机械手。

柔性机械手从驱动方式上可分为:电机驱动,气液驱动和功能材料驱动等。大部分现有机械手采用微型电机驱动,驱动器集成在手掌或手臂中,通过腱,齿轮和连杆传动实现手指关节的远距离驱动。此类驱动方式的机械手包含三指四指和五指。五指机械手的发展趋势是向人手不断靠近,无论在外形尺寸,手指数目还是自由度,触觉能力和抓取操作功能等方面。应用电机驱动的机械手,易于实现对机械手的控制,但那时柔性较差。为了提高机械手的柔顺性,选择压缩气体或者液体作为机械手驱动方式是一个较好的选择。常用形式由液压缸,气压缸及气动人工肌肉等。机械手要求外形要小巧,轻便,灵活和安全,通过传统驱动器很难实现机械手上述功能。除了应用微小的电机驱动外,很多学者将机械手的驱动方式转向新型功能材料,如形状记忆合金,超声波,高分子聚合物和功能性液体驱动等。日本 1984 年应用形状记忆合金研制的 Hitachi 灵巧手通过温度控制形状记忆合金变形驱 动机械手完成动作.2011 年日本学者 Yamaguchi 等 应用电子共轭液在梯度电场下产生喷射流对柔性机 械手进行驱动,可以抓取复杂形状物体,控制简单,缺点是抓取重物的能力低。

2. 研究的基本内容与方案

综合以上国内外的软体机械手的发展现状,本文设计了一个基于液态金属,硅胶与酒精的混合物为驱动器的软体机械手,该机械手由三个相同结构的手指组成。该机械手指分为两个部分,一个是软体部分,材料为硅胶与液态金属混合物,另一个是刚性部分,拟采用3d打印制造。软体部分的特性为:在接通一定电压后,能够伸长并且弯曲。因此,软体部分在不通电的情况下,收缩在刚性部分之中,此时机械手为普通刚性机械手。当需要抓取易碎物体时,刚性机械手不能满足条件,因此通电使软体部分伸出刚性部分,用软体部分进行抓取。

对于该设计,拟采用的技术方案及措施有以下几点:

1. 利用inventor建模,做出制作手指软体部分所需要的模具,利用3d打印将其制造出来,最后使一定比例的液态硅胶,金属及酒精在模具中成型,成型的手指还要放入一定形状的电阻丝,用来对材料通电加热。

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3. 研究计划与安排

第1-4周:完成调研收集分析有关资料,了解各种夹持器结构及其驱动的原理和方法。提出设计思路和内容,确定方案,完成开题报告。

第5-6周:设计机械手夹持器的结构。

第7-8周:机械手结构的优化设计。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]刘晓敏. 基于气动复合弹性体柔性关节机械手研究[d].吉林大学, 2013.

[2]郑永永. 柔性关节五指机械手抓取能力与运动控制[d].北华大学, 2017.

[3]肖宇. 气动软体机械手设计及实验研究[d].东南大学, 2016.

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