[发明专利]一种针对褶皱型软体致动器装置的建模方法

说明书

本发明公开了一种针对一类褶皱型软体致动器(特别是一类褶皱型软体手指)的力学建模的方法：模型1为输入压强与手指弯曲角度的关系；模型2为在给定弯曲角度下，输入压强与手指前端输出力的关系。针对的褶皱型软体致动器是类似于图1所示剖面图结构，具有离散气腔结构的一类软体致动器，它包括(1)上指层、(2)下指层、(3)连接器组成。本发明的研究方法是针对上述这类软体致动器装置而言，研究输入压强与软体致动器弯曲角度的关系；以及在定角度下，输入压强与末端输出力的关系进行了建模，两者是递进的关系。对于模型1，采用Neo‑Hookean超弹性模型描述硅胶弹性体的响应特性，通过数学的方法得到驱动气体压力P与弯曲角度α的关系为输入气压、弯曲角度和输出力之间的关系为:

技术领域

本发明涉及一种褶皱型软体致动器装置，特别是涉及应用于气动软体抓手的褶皱型软体致动器的力学建模方法。

背景技术

作为刚性机械手的衍生物，软体手追求的是类生物体的机械特性，如本体的柔顺性、安全性和环境适应性等。相较于其他类型的软体手，基于气动软体执行器的软体手更具应用价值。气动软体手执行器一般采用以下几种结构形式：褶皱型、圆柱型、纤维增强型等。其中褶皱型软体执行器在软体手中的应用最受关注，褶皱型执行器驱动气压小、在负压作用下可反向弯曲，可有效提升软体手的抓握范围。

然而褶皱型软体手中软体致动器力学模型的缺乏，极大地限制了它们的潜力。以往对褶皱型致动器的建模大多集中在运动学建模上。如北京航空航天大学Hao等根据板壳理论提出了一种气腔腔壁变形量的计算方法，通过计算每一气腔单元在气压作用下的变形量，获得软体执行器输入气压与弯曲角度的关系。Alici等利用Euler–Bernoulli原理，结合褶皱执行器形状，推导出了一种气压-弯角关系的计算方法。除此之外，有限元分析法也可以作为分析气动软体执行器弯曲变形行为的有效工具，但有限元法存在的固有局限性，如运算成本高、无法获得解析解等，限制了其在控制算法开发中的应用。

在软体致动器动力学建模方面，目前针对褶皱型软体致动器与环境相互作用时的输出力分析较少，大多集中在单气腔软体致动器动力学分析上。如英国萨里大学的Mustaza等采用类似方法建立的纤维增强型软体臂动力学模型，分析对象均是单气腔软体致动器组合而成的软体臂。Polygerinos等提出的基于弯矩平衡原理的准静态分析方法，在此基础上，Wang等做了进一步的简化与验证。与单气腔软体致动器相比，褶皱型软体致动器复杂的几何结构虽然提高了致动器的变形能力，但也增加了其力学特性分析的难度。因此，如何建立褶皱型软体致动器末端与环境相互作用力模型成为我们需要解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种基于硅胶材料和气动控制的褶皱型气动软体致动器装置，以及关于该装置的两种模型分析。

本发明提供的这种本发明公开了一种针对一类褶皱型软体致动器力学建模的方法：模型1为输入压强与软体致动器弯曲角度的关系；模型2为在给定弯曲角度下，输入压强与软体致动器前端输出力的关系。

该装置的整体外形结构如图1所示，它包括1基板、12手指固定架、13活动吸盘、14软体致动器(也称为软体手指)、15固定站、16空气管、17吸盘固定架等组成。首先将17吸盘固定架通过螺钉固定在1基板下，然后在吸盘固定架下安装一13活动吸盘，完成内部的安装环节；该气动装置的四周布置有四根气动手指，其安装方法与步骤均相同，首先将14软体致动器置于15固定站内，并在固定站上方的预留孔内安装好15空气管，然后将(软体致动器固定架通过螺钉固定在固定站的指定面上，最后将软体致动器固定架顶部的四个螺栓孔与基板的螺栓孔对应，并用螺栓固定，完成一个气动软体致动器的安装，剩下三根致动器安装步骤参照以上步骤。

本发明的重点是以其中一根软体致动器为对象，研究输入压强与致动器弯曲角度的关系以及在定角度下，输入压强与末端输出力的关系，并进行了建模。对于模型1，采用Neo-Hookean超弹性胡克定律描述硅胶弹性体的响应特性，通过数学的方法得到驱动气体压力P与弯曲角度α的关系为对于模型2，研究得出输入气压、弯曲角度和输出力之间的关系为：