[发明专利]一种弯曲状态下的软体双向弯曲气动执行器的数学建模方法

说明书

本发明公开了一种弯曲状态下的软体双向弯曲气动执行器的数模构建方法，该方法将软体双向弯曲气动执行器分为两部分，一部分为膨胀侧，另一部分为未膨胀侧。首先分别对膨胀侧进行力学分析，计算其拉伸变形与弯曲变形，然后对未膨胀侧进行力学分析，计算其压缩变形与剪切变形，最终通过整体的弯矩守恒，建立输入压力与执行器弯曲角度间的关系。本发明提供了新的适用于软体双向弯曲气动执行器的弯曲状态下的数学模型建立方法，精确得出了驱动压力与双向弯曲气动执行器的弯曲角度之间的关系式，填补了该领域研究的空白，对其精确控制提供了一定的理论依据。

技术领域

本发明涉及软体双向弯曲气动执行器，更具体的，涉及一种弯曲状态下的软体双向弯曲气动执行器的数学建模方法。

背景技术

软体双向弯曲气动执行器是由超弹性材料制成，例如硅橡胶。软体对称腔气动执行器是由两个硅胶模块组成的，其中具有多个对称分布并由肋板分隔开的空腔，两个硅胶模块由位于中性层的ABS板粘结。所有的空腔都由一个流道连接起来，从而获得相同的压力。改变通入气体的压力引起空腔的体积变化，软体双向弯曲气动执行器可以实现自身的伸展或弯曲。但软体气动执行器具有变形大和自由度多的特点，所以很难对其进行建模。目前国内外学者用于对软体双向弯曲气动执行器的数学模型具有很大的局限性，精准度不够，会影响后期对执行器的控制效果。

因此，为了进一步加强对软体双向弯曲气动执行器的控制精度，数学模型的建立就显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种弯曲状态下的软体双向弯曲气动执行器的数学建模方法，从而精确地确定气压和软体双向弯曲气动执行器弯曲角度之间的关系，提高后期对软体双向弯曲气动执行器的控制精度和控制效果。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种弯曲状态下的软体双向弯曲气动执行器的数学建模方法，包括：

S1，将在驱动压力作用下产生弯曲的软体双向弯曲气动执行器分为两部分，一部分为膨胀侧，另一部分为未膨胀侧；

S2，对膨胀侧进行力学分析，计算其拉伸变形和弯曲变形，得到膨胀侧的弯矩；

S3，对未膨胀侧进行力学分析，计算其压缩变形和剪切变形，得到未膨胀侧的弯矩；

S4，通过弯矩守恒，建立驱动压力与软体双向弯曲气动执行器弯曲角度间的关系。

优选的，S2中对膨胀侧进行力学分析具体包括：

S2.1，对膨胀侧肋在径向方向的拉伸变形进行力学分析；

S2.2，对膨胀侧上壁和膨胀侧侧壁的弯曲变形进行力学分析。

进一步的，S2.1具体为：

膨胀侧肋的径向应力为式(1)：

其中，为膨胀侧腔体膨胀后的高度，B为腔体的宽度，N为膨胀侧腔体的个数，b为肋的厚度，L为上壁的原始长度，t是侧壁的厚度，p为驱动压力；

根据执行器所用材料的应力应变曲线，得到膨胀侧肋的径向应力和径向应变之间的关系式为式(2)：

其中，为膨胀侧肋膨胀后的高度，h为肋的原始高度；

联立以上式(1)和式(2)，得的值。

再进一步的，S2.2具体为：

软体双向弯曲气动执行器在驱动压力p的作用下弯曲，弯曲角度为θ，根据几何变形，膨胀侧上壁的变形ΔL₁为式(4)：