多段可重组软体驱动器的设计与运动学分析仿真.pdf

第5期（总第2 4 0 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 4 13（2 0 2 3)0 5-0 0 59-0 3多段可重组软体驱动器的设计与运动学分析仿真邱榆，苏满佳，陈宏楷（广东工业大学机电工程学院，广东广州510 0 0 6)摘要：软体驱动器是软体机器人的核心组成部分，提出了一种可重组的多段式软体驱动器。首先利用气囊单元与柔性骨架相结合，设计了两种类型的可重组软体驱动器，通过采用不同的拼接方式和拼接段数，可得到多种构型的软体机器人，且针对不同构型的软体机器人建立运动学模型，并在仿真平台上进行了仿真验证。此设计与分析为软体机器人的设计与运动学分析提供了新的思路，具有一定的参考价值。关键词：多段可重组软体驱动器；软体机器人；运动学模型；仿真中图分类号：TP242.6文献标识码：A0引言各类柔性材料和驱动器构成的软体机器人近年来是机器人学界的研究热点。软体机器人的核心部分是软体驱动器，软体驱动器的制作普遍采用模具铸造，通过往模具中浇注硅胶等柔性材料，待凝固后即可制得。然而，模具铸造法获得的软体驱动器在形状和长度等参数上存在着局限性，在一定程度上限制了软体机器人的应用。本文提出了一种可重组的多段式软体驱动器。首先利用气囊单元与3 D打印的柔性骨架相结合，设计了两款可重组的软体驱动器，通过采用不同的拼接方式和拼接段数，可得到多种构型的软体机器人。针对不同类型的软体机器人，本文建立了其运动学模型，并在仿真平台上进行了仿真验证。1多段可重组软体驱动器的设计软体驱动器的结构可分为两层：膨胀层和限制层2 。类似的，本文提出的多段可重组软体驱动器以若干个气囊单元作为膨胀层，3 D打印技术制得的柔性骨架则作为限制层，气囊单元采用气密性优良的TPU材料，柔性骨架的刚性材料为PLA十，柔性材料为TPU。多段可重组软体驱动器如图1所示，通过改变气囊单元的排列方式，本文设计出两款软体驱动器，分别是平面弯曲型软体驱动器和空间弯曲型软体驱动器。平面弯曲型软体驱动器由双列串联的气囊单元构成，空间弯曲型软体驱动器则由三列串联的气囊单元构成。气囊单元间通过柔性骨架上的螺丝固定，每列气囊单元之间通过气管相连，为了表达清晰，图中的气管被省略。单个气囊单元的长度为6 0 mm、宽度为50mm，软体驱动器的长度为12 8 mm。以平面弯曲型米中国博士后科学基金面上项目（2 0 2 1M700882）收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 2；修订日期：2 0 2 3-0 7-0 2作者简介：邱榆（1997-），男，广东湛江人，在读硕士研究生，研究方向：仿生软体机器人。软体驱动器为例，当两侧不通入气体或通人的气体气压一样时，软体驱动器将不发生弯曲；当往两侧的气囊单元通入不同气压的气体时，由于柔性骨架的约束作用，软体驱动器将往气压小的一侧弯曲。柔性骨架气囊单元（a）平面弯曲型软体驱动器（b）空间弯曲型软体驱动器图1多段可重组软体驱动器利用上述设计方法得到的软体驱动器与普通的硅胶型软体驱动器相比3.4 1，制作流程简单快捷，并且具有快速拼接可重组的优点。多段软体驱动器经不同的拼接方式后可快速构建出多种软体机器人（如图2 所示），从而适应不同的工作环境。（a）I 类软体操作臂（b）I 类软体操作臂（c）I I 类软体操作臂图2 多段可重组软体驱动器构成的软体机器人2多段可重组软体机器人的运动学分析不同于刚性机器人的D-H参数法，软体机器人的运动学推导通常以常曲率模型5 为主，在推导前需进行如下假设：软体机器人的柔性骨架在弯曲过程中柔性骨架气囊单元60曲率恒定；柔性骨架的轴向长度保持不变；每段之间的连接是平整的，端面距离为零。2.1平面弯曲型软体驱动器的运动学模型单段平面弯曲型软体驱动器的运动学模型如图3所示。在单段平面弯曲型软体驱动器的两端设置两个坐标系,分别为O。和0 1。其中O。为基坐标系,0 1为动坐标系，两者之间的变换过程可视为O1绕O。的Y。轴旋转1角度，然后平移至0 1点。图3 中的1为软体驱动器的弯曲角度，l为柔性骨架的长度，ri为软体驱动器的弯曲半径。YoXo图3 单段平面弯曲型软体驱动器的运动学模型根据上述转换过程，O1相对于O。的变换关系可由齐次变换矩阵iT表示，iT由式（1)求得：co1s0ri(1-coi)70101T=000其中：co表示coso，s o 表示sing。同样下文的c表示cos,sy表示sing;cp表示cosp，s p 表示sing。图2 共有三种不同类型的软体机器人，其中I类和类由平面弯曲型软体驱动器构成，不同的是软体驱动器的拼接角度，通过串联不同拼接角度的平面弯曲型软体驱动器，软体机器人的工作空间及灵活度也会有所改变。因此，拼接角度8 可视为软体驱动器绕1T=0推广至由n段空间弯曲型软体驱动器拼接而成的3,4)段平面弯曲型软体驱动器在弯曲角度取不同数软体机器人，第i端相对于始端的转换关系为：值时的运动仿真结果，图中软体机器人的运动以多段T,=IT.T.HIT.FIT.(5)3软体机器人的运动学仿真前面的章节针对不同类型的软体机器人进行了运动学分析，为了验证运动学模型的准确性，本文将围绕图2 中三种构型的软体操作臂在MATLAB平台上进行运动仿真验证。每段驱动器的长度为12 8 mm，给定柔性骨架的长度li=128mm和拼接段数n，弯曲角以及方向角的值在一元，元 范围内随机给定。3.1I类软体操作臂运动仿真图2 中I类软体操作臂由多段平面弯曲型软体驱动器组成，每段拼接角度均为0，因此，I类软体操作臂都是在平面上产生弯曲运动，图5为n（n=1,2，机械工程与自动化Z轴旋转91角，产生的齐次变换矩阵为：c107S1c1Ta=0LO假设软体机器人由n段平面弯曲型软体驱动器拼接而成，则机器人的第i端相对于始端的转换关系为：T,=TiT.Tm2T.Tf-IT.(3)2.2空间弯曲型软体驱动器的运动学模型空间弯曲型软体驱动器的运动学分析过程与平面弯曲型软体驱动器类似，不同的是平面弯曲型软体驱动器的拼接角度是在安装时已经确定的，而空间弯曲型软体驱动器能够在空间中产生弯曲运动，因此描述其弯曲运动除了弯曲角以外，还需用到方向角描述软体驱动器的弯曲方向。值得一提的是，平面弯曲型软体驱动器中的拼接角度就是方向角恒定的一种特殊情况。图4 所示为单段空间弯曲型软体驱动器的运动学模型。00riso11cgi cfi+sp1clicp1Sp1-cqiSpi-cqi s0102023年第5期000100011Y,21如1X(1)r1图4 单段空间弯曲型软体驱动器的运动学模型同样的，从基坐标系O。到动坐标系O1的变换过程为:O。沿着O.O1平移，围绕Z。轴旋转91，然后围绕Y。轴旋转i，最后围绕Z。轴旋转一1,求得的齐次变换矩阵如式(4)所示：cpi Spic01-cp1 Sp11cpisp1 ricpi(1-chi)1rispi(1-cot)-Spi s01c10常曲率曲线表示。由图5可知，随着拼接段数n的增加，软体机器人的灵活性提高，运动形态也越丰富。3.2类软体操作臂运动仿真类软体操作臂由I类构型演变而来，在拼接安装的过程中对拼接角度进行调整，即第二段平面弯曲型软体驱动器相对于第一段平面弯曲型软体驱动器旋转90 进行拼接，由此一来，软体机器人的变形运动由平面拓展至空间，运动空间得到了充分的扩充。图6为类软体操作臂的运动仿真结果。3.3类软体操作臂运动仿真类软体操作臂由多段空间弯曲型软体驱动器拼接而成，能够在空间中实现弯曲运动，且相比类软体(2)(4)risp112023年第5期操作臂，其灵活度更高，机器人的可达空间更为广泛。1201008060240200-80-40X/mm(a)n=1,0E-元,300200100-1005200i000100-200-200(a)n=2,1=0,8 1,2 E-元,元 150100500-50L100Y/ml0-100邱榆，等：多段可重组软体驱动器的设计与运动学分析仿真300250200150/100500-50-19%0408040030020010001002002001001000X/mm22，10001004x/mm61图7 为类软体操作臂的运动仿真结果。400350300250200150100500-50-1000100200 x/mm(b)n=2,0E-元,元图5I类软体操作臂的运动仿真结果400300200F1000200100200Y/m0-200(b)n=3,1=0,22(c)n=3,3=0,0 1,2,3E-元,图6I 类软体操作臂取不同9时的运动仿真结果40025030020015010050508Y/m0-200-200 x/mm5004003002200100-109800-200X/mmX/mm(c)n=3,E-,(d)n=4,E元,元400300置2 0 021000-1002002000-200X/mm2000020040000/mm-200-200X/mm1=0,2=0,0 1,2,E I,2，置2 0 021000-1002000Y/mI-200-200X/mm00-200-200X/mm(d)n=3,亚0 1,2,3 E-I,3一2400200-2002002000200-400-200元/2 0 00,20040020001=0,2一2(a)n=1,0,E-元,元,QiE 0,2 元 4结语本文提出了一种可重组的多段式软体驱动器。根据硅胶型软体驱动器的工作原理，本文利用气囊单元与柔性骨架分别作为膨胀层和限制层，设计了两款可重组的软体驱动器（平面弯曲型和空间弯曲型），通过采用不同的拼接方式和拼接段数，可得到多种构型的软体机器人。针对不同类型的软体机器人进行运动学分析，并在仿真平台上进行了仿真验证。仿真结果显示，随着拼接段数的增加和拼接角度的改变，软体机器人的灵活度得到显著提高，工作空间也得到了扩充。Design and Kinematic Analysis and Simulation of Multi-Segment(School of Electromechanical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)Abstract:Soft actuator is the core component of soft robot.This paper proposes a reconfigurable multi-segment soft actuator.Firstly,two types of reconfigurable soft actuator are designed by combining airbag unit and flexible skeleton.By adopting differentsplicing methods and number of splicing segments,multiple configurations of soft robots can be obtained.Kinematics models ofdifferent configurations of soft robots are established and verified on the simulation platform.This design and analysis provides a newidea for the design and kinematics analysis of soft robots,and has certain reference significance.Keywords:multi-segment reconfigurable soft actuator;soft robot;kinematic model;simulation(b)n=2,1,2E-元,P1,2 E 0,2 元 图7 类软体操作臂的运动仿真结果参考文献：1韩奉林，费磊.仿尺软体机器人设计与制造J.机械设计,2 0 2 1,3 8(9):15-2 0.2王田苗，郝雨飞，杨兴帮，等.软体机器人：结构、驱动、传感与控制J.机械工程学报，2 0 17，53（13)：1-13.3谢荣臻.仿蠕虫气动软体攀爬机器人研究D.广州：广东工业大学，2 0 2 0:10-17.4苏满佳.仿生软体攀爬机器人的建模、分析与实验D.广州：广东工业大学，2 0 2 0：4 3-55.5胡海燕，王鹏飞，孙立宁，等.线驱动连续型机器人的运动学分析与仿真J.机械工程学报，2 0 10，4 6（19）：1-8.Reconfigurable Soft ActuatorQIU Yu,SU Man-jia,CHEN Hong-kai(c)n=3,(0 1,2,3E-元,元 ,1,2,3 E 0,2 元 (d)n=4,0 1,2,3,4E-,P1,2,3,4 E 0,2 元