驱动传动一体化的仿骨骼肌软体驱动器研究

发布时间：2020-11-05 21:08

　　 人体实现身体多样且高效运动的精细复杂、分级分层的骨骼肌肉系统是以柔性材料为主,系统的驱动完全是由软组织(肌肉、肌腱等)产生。人体骨骼肌可以被认为是“完美的软驱动器”,具有兼容性和可变形性,还能高效地实现快速、强大的动作和非常复杂的运动模式。研究表明,人体骨骼肌既是驱动单元又是传动单元,同时兼具无级变速功能,是一种驱动、变速与传动一体化的柔性动力系统,这与目前工程中普遍采用复杂机构组合和控制实现自动变速的机械系统相比,具有简单、直接、经济、高效等优点。基于这样的灵感,本文以研制出具有类似生物骨骼肌驱动、传动一体化性能特性的仿骨骼肌软体驱动器为目标,经过对骨骼肌基本结构组成和肌纤维构形与空间结构,以及可变传动生物原理的分析,提出仿骨骼肌软体驱动器设计,利用仿真分析预测软体驱动器的动态响应特性,制造样件并通过性能测试实验检验是否具有自动变速功能,揭示其内在可变传动机制的影响因素和内在规律,开发出高度拟人的仿半膜肌驱动器并与生物肌肉进行力学特性的比较。具体研究工作及主要结论如下:(1)分析骨骼肌基本结构组成和宏观肌纤维结构,以及肌纤维运动带动肌肉三维形态变化实现可变传动的生物原理,提出仿骨骼肌软体驱动器的仿生结构设计。它由模拟“肌纤维”的驱动单元和模拟“周围结缔组织”的柔性基质组成。将驱动单元按照骨骼肌羽状角的结构嵌入并封装在柔性基质内部,从而通过驱动单元带动柔性基质空间变形,简单而容易地实现仿骨骼肌的协同运动。利用非线性有限元ABAQUS/CAE对软体驱动器的动态响应特性进行仿真分析,发现其内部的驱动单元均呈轴向缩短径向膨胀,并伴随旋转的变化趋势,与骨骼肌中观察到的相似。且内部压力越大,变化的趋势越明显。软体驱动器竖直方向上的变形量随着气压上升而增大,且在0.20MPa时达到最大变形量17.5mm。说明气压的大小对驱动器的动态响应具有一定的影响。(2)采用浇铸制作出与仿真模型相同尺寸与结构的仿骨骼肌驱动器,并制作两种对比驱动器。给驱动器通入不同稳定压力值的压缩空气进行致动,并施加从低到高、不同质量的载荷,进行驱动性能测试。压力0.4MPa时仿骨骼肌驱动器能够提起大约相当于自身重量25倍的重物。负载力一定时,驱动器的收缩量与压力成正比,而零负载时驱动器收缩量随气压变化的测试结果与仿真结果相近。压力一定时,驱动器收缩量与负载力成反比,从而可得驱动器最大输出力与压力是成正比的。整个收缩期间,驱动器输出力逐渐增大至额定载荷后保持不变,且在输出力恒定不变时其收缩速度会出现一段稳定不变的阶段。对此阶段进行分析发现,驱动器具有与生物骨骼肌相类似的可变传动机制,即能够在承受低负载时以高速度优势运行,在承受高负载时更多的产生输出力以克服外界负载收缩致动。(3)通过对测试数据处理分析,验证了软体驱动器的传动比以负载相关的方式变化的假设。传动比会随负载的增大而减小,即驱动器会在高负载条件下有利于力的输出并在低负载条件下输出较高的速度。而且当压力越高时,传动比变化越高,可变传动的范围越广。软体驱动器所具有的这种可变传动机制是自动,不是来自任何控制机构,不需要感觉信息和反馈控制。通过软体驱动器与两种对比样件的对比,发现羽状角和柔性基质的协同驱动对于驱动器是重要的,因为柔性基质和羽状角会极大地增加其可变传动的能力和范围。针对这三种驱动器的实验数据,得到了它们的传动比与系统负载和压力之间函数关系的经验公式:AGR(28)-aP~b F(10)cP~d。该方程较好地表达了驱动器的动力特性并对其设计和操作起到了指导作用。(4)基于骨骼肌生物力学模型以及人体半膜肌的结构特征,提出一种高度拟人的仿半膜肌驱动器设计。其主要特征是布置双排的驱动单元斜行排列并连同通气管一并封装于柔性基质中,柔性基质的形状与人体半膜肌相类似,来高度模仿半膜肌形态及肌纤维排布。通过开展等张收缩和等长收缩两种形式的力学测试实验,并基于骨骼肌生物力学方程,进一步的量化其力学特性。发现与猫、青蛙、鼠和人类骨骼肌相比,仿半膜肌驱动器具有类似生物肌肉的结构力学特性,即力-速度、力-长度曲线关系,实现了高度拟人的仿生骨骼肌开发的目标。提出一个仿半膜肌驱动器的简单应用,选择1:1比例的成年人平均尺寸的骨骼模型,用驱动器替换人体半膜肌,实现了人体的屈膝动作。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH703
【部分图文】：

第 1 章 绪论国 FESTO 公司采用几十根 McKibben 型人工肌肉研制出仿人上肢，其机构复杂而精确，具有五个类似人手的机械手指，有着良好的灵活性，其中拇指具有 3 个独立自由度，其它四个手指只有 2 个独立自由度，各个手指之间还有 1 个关联自由度，可以完成手指闭合和弯曲运动，模仿人的程度非常高[31]（图 1.1(f)）。英国Shadow 公司将人工肌肉结合在一起形成柔性关节，其具有 2 个自由度，基于这种关节研制出 Shadow 灵巧手[32]，它采用人工肌肉驱动并由肌腱传递力和运动，关节柔性程度高且重量轻（图 1.1(g)）。

长度的蠕虫机器人，可以实现 1mm/s 的爬行速度（图 1.2(b)）。Pelrine等[45]开发了一种使用了更强大的轧制 DEA 驱动的六足步行机器人 FLEX2（图1.2(c)）。Pei 等[46, 47]设计了两种 DEA 驱动的步行机器人，分别命名为 Skitter 和MERbot：前者是一个使用六个单自由度滚动 DEA 作为六条腿的小型腿式机器人，能够达到约 7cm/s 的峰值速度（图 1.2(d)）；后者是一种新型的六足机器人，有 6 个 2-DOF 滚动 DEA 作为支腿，最大速度可达 13.6cm/s，相当于其每秒体长的大约三分之二（图 1.2(e)）。Nguyen 等[48]开发了一种由多层堆叠 DEA 驱动的小型仿生四足机器人，其每条腿包含两个 DEA，以实现摆动阶段和站立阶段的运动（图 1.2(f)）。谷国迎[49]综述了基于不同类型的 DEA

第 1 章 绪论到了 0.22mm/s（图 1.3(a)）。仿软体生物的爬行机器人还有 Du等研发的 3 种模式运动机器人[53]（图 1.3(b)），Lin等研制的 GoQBot 机器人[54]（图 1.3(c)），Seok 等研发的 Meshworm 机器人[55]（图 1.3(d)），Wei Wang 等研发的仿尺蠖机器人[56]（图 1.3(e)）。Kim等[57]开发了一种主要由 SMA 构成的智能软复合材料（SSC）结构，能够在简单、轻便的结构中产生弯曲和扭转运动，基于这种结构实现了类海龟运动的游泳机器人，达到了 22.5mm/s 的游泳速度（图 1.3(f)）。SMA 还被应用于模仿水母可做沉浮运动的水下机器人[58, 59]，攀爬机器人[60]，仿生飞行器[61,62]，机器人面部表情驱动[63, 64]等。SMA 驱动具有驱动力大、位移大等优点，但存在着温度控制困难、低驱动频率等缺点。
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本文编号：2872189