一种变刚度软体机械手的设计文献综述
2020-04-15 09:39:12
采集海洋生物样本是海洋科考的重要任务之一，但由于目前用于捕获怕海底生物的机械手仍是传统的硬质机械手，这使保证海洋生物的生物活性成了一个巨大的问题。对此，本毕业设计要求完成一种气动软体机械手的设计。
软体机械手作为软体机器人的一种。软体机器人是一种新型的机器人，不同于刚性机器人，软体机器人由于其高度的灵活性和对环境的适应和顺应能力，在医疗、工业、军事、探测等领域具有广阔的应用前景，而软体机械手作为软体机器人重要的分支，逐渐成为领域内的研究热点。在驱动形式上，现有软体机器人与软体机械手的驱动方式常采用气动、形状记忆合金、介电质聚合物、离子交换聚合物金属复合材料（IPMC）、介电高弹体（DE）、相应水凝胶、化学燃烧驱动等类型等驱动方式，驱动形式多样灵活，软体机器人是一个多学科交叉的研究方向，涉及材料科学、化学、微机电、液压、控制等多学科，研究软体机器人可为机器人在非结构化环境的应用提供新的思路。[1]下面从软体机器人与软体机械手两个方面介绍国内外的研究现状。
在软体机器人方面，Tufts University研制了一种化学机器人Chembots[2],该化学机器人结合材料化学和机器人学，采用软材料，甚至呈现可变形的液态状，能穿越狭窄孔缝，实现机器与环境的共融。Barry A.Trimmer研究组研发了一种以弯曲爬行虫为原型的GoQbot[3]机器人，以SMA作为驱动，能够实现多种运动模式。哈佛大学Gorge M.Whitesides研究组研发了一系列气动、内燃驱动软体机器人[4-13]，可实现爬行、跳跃、抓取等运动模式。麻省理工XuanheZhao课题组研发了一种基于水凝胶液动驱动器的软体抓手[14]，具有一定的声光隐身功能。哈佛大学生物工程研究所利用微流控的方法，设计出出全软体的软体章鱼与软体蜘蛛[15]，使使软体机器人成功摆脱硬质的控制系统与供能系统的限制。国内对软体机器人系统性研究不强，起步较晚。中国科学技术大学研制的基于SMA驱动器的软体机器人[16]具有滚动、爬行和蠕动三种运动形式且可以进行形式切换。浙江大学设计了一种仿生蚯蚓、哈尔滨工业大学设计了一种柔性鳍单元[17]，此外同济大学设计了一种仿生章鱼臂柔性体机器人。
在软体机械手方面，Mantim 等人设计一种线缆驱动的三指软体机械手，其利用长度可变的弹性线缆驱动手指弯曲，完成不同形状的物体（圆柱，球，立方体，圆盘）的抓取工作；[18]哈佛大学Daniel等人设计了一种液动的软体机械手。其动力来源是海水，通过过滤器以及一系列阀门后进入腔道，驱动手指形变，完成抓取工作。装置同时在机械手的末端设计了硬质的“指甲”（finger nail），以应对不同大小的目标物品。这种软体机械手已成功在PhoenixIsland 海域附近完成水下2224m海试，主要工作是抓取工作，而在水下的定位以及移动工作则通过远程控制器（ROV）完成;[19]索尔福德大学的Al Abeach等人利用颗粒阻塞（Granular Jamming）效应，设计了一种四指软体机械手。装置利用气动肌肉的伸缩实现靠近与远离目标，通过线缆驱动机械手的手指向外弯曲，以实现多目标的包络，完成包络后，装置抽出手指内部的空气，使内部形成负压，通过颗粒阻塞效应提高手指的刚度，从而完成抓取的效果；[20]索里大学的F. J. Comin等人设计了一种用于热透疗法的医用机械手，将传统机械臂与软体机械手结合的一种新型机械手，前者完成粗定位，后者进行精细操作，其特点在与既发挥了传统机械手速度快，作业范围广，以及控制系统成熟的优势，又发挥了软体机械手的柔性与安全性。[21]国内研究方面，北京航天航空大学机器人研究所设计了一种气动软体机械手。针对传统的气动机械手只能单向动作（张开或闭合）的特点，设计一种新的腔道结构，实现机械手的双向动作。[22]在完成执行机构设计后，研究团队继续对机械臂进行了研究，扩大水下作业的作业范围，同时首次考虑重力补偿，建立了更精确的数学模型。[23]
上述软体机械手除哈佛大学设计的三指软体机械手[18]与北京航天航空大学设计的气动软体机械手[19]外,所设计的软体机器人的设计工作环境都是陆上，不适合水下工作；并且北航设计的机械手也只是在水下3m的深度做了抓取实验，是否可以应用在海底还有待验证。哈佛大学设计的软体机器人虽然已经在水下2000m的深度进行了海试，但是其腔道结构简单，因此手指的活动范围较小。
因此本毕业设计参考哈佛大学软体机械手的设计思想，改进内部腔道结构，扩大抓取范围，设计一种可在海底作业新型软体机械手。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}2.1设计的基本内容
确定软体机械手的材料，驱动方式、结构及加工工艺，使用有限元软件对驱动器进行仿真，并完成软体机械手虚拟样机的制作，并尝试完成实物制作。搭建多路气路对软体爬行机器人的驱动器进行同步控制，以完成抓取的实际动作，并对软体机械手的实际性能参数进行试验。
2.2方案设计
2.2.1总体技术方案
由于气动驱动器响应速度快，驱动介质易于获取和控制，适应性强等优点，本软体机械手整体采用气动方案，抓取方式为仿人手的抓取方式。软体机械手主要采用软材料，以提高机器人对环境的顺应能力。
2.2.2驱动器结构方案
驱动器结构上采用现有的气动驱动方案，根据驱动器所需的执行动作设计特定的空腔结构，并通过abaqus有限元软件进行仿真分析，通过改变空腔内的气压来完成动作。
2.2.3气路控制方案
通过搭建多路可控的气路，同时控制多路管道的充吸气状态来配合实现机械手的抓取动作。
3. 参考文献[1]Rus D , Tolley MT . Design, fabrication and control of soft robots[J]. Nature, 2015,521(7553):467-475.
