本文是一篇机械论文，本文首先分析了现有制作软体机械臂时采用的结构和制作方法，通过对比发现波纹管结构和 3D 打印技术符合本文的设计要求；然后设计了一款波纹管结构的软体机械臂，并探索出了一套与之相适应的制造工艺；接着以 TPU 超弹本构模型为依据建立有限元模型，并利用有限元模型分析结构参数对软体驱动器弯曲性能的影响规律，以及利用修正的 D-H 表示法建立软体机械臂的运动学模型，利用蒙特卡洛法求解其运动空间；最后根据有限元仿真得出的结论和实际工作需要，制作了三节软体机械臂单元。
1  绪论
1.1  研究背景及意义
随着科学技术的快速发展，机器人与人类的关系越来越紧密，对人类社会的进步起到了至关重要的作用。机器人除了在制造业、农业、航空航天和教育等方面的应用外，随着材料技术和计算机技术的发展，科学家们将机器人相继引用到手术室、地震搜救等场合[1]。
传统机器人的研究以刚性结构为主，通常由电机、关节和铰链等刚性构件组装而成，如图 1-1（a）所示，其形状能适应特定的外部约束，具有定位准、精度高、执行力强等特点，这些刚性机器人常应用于高精度装配，自动化生产线的常规流水任务以及完成特定环境下相关作业，但其可变形能力和柔顺性能较难适应未知的复杂多变环境[2]。随着人们对机器人的安全问题越来越重视，对其弯曲能力和安全性能要求越来越高，需要其根据受限环境改变自身形状，而传统的刚性机械臂显然不能满足需求。
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近些年来，研究人员受象鼻、章鱼臂等的启发而研制出了软体机械臂，如图 1-1（b）所示。软体机械臂主要由轻质、柔软的材料组成，如硅橡胶、形状记忆合金、电活性聚合物等；其常见的驱动方式包括线驱动、气体驱动、温度驱动、电驱动等[3]。相比于刚性机械臂，软体机械臂主要具有以下优势：（1）理论上有无限多的自由度，其高度灵活的运动能力可以很容易实现复杂的位姿；（2）极强的环境适应能力，可以通过主动变形与障碍物相适应；（3）具有良好的柔性接触特性，适用于软、易碎或复杂物体抓取等[4]。软体机械臂具有许多明显的优势，因此本文研制了一款基于波纹管结构的气动软体机械臂。
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1.2  研究现状及分析
软体驱动器作为软体机械臂结构中最重要的组成部分，本节将从其结构设计和制作方法两个角度梳理近年来国内外学者的主要研究成果。
1.2.1  软体驱动器结构设计发展现状
软体驱动器的结构形式将决定软体驱动器的变形形式与驱动性能，目前具有代表性的结构形式主要有弹性气室结构、波纹结构、折叠/褶皱结构、纤维约束结构等[5]。因此，本节将对上述四种软体驱动器结构的驱动原理与驱动性能进行分析。 1） 弹性气室结构软体驱动器 Marchese 等人[6]提出了一种由硅橡胶制作的平面连续型软体驱动器，它由多个单元组成，每个单元有两个弹性体气室，给一个气室充气膨胀时单元会向另一侧弯曲变形，如图 1-2（a）所示；Martinez 等人[7]将此结构进行了扩展，在每个单元的中心轴对称分布三个弹性气室，然后将多个单元串联形成具有三维变形能力的软体驱动器。
弹性气室结构在气压作用下的膨胀会使软体驱动器弯曲变形，但气压对外做功的效率较低，可通过限制弹性体气室沿径向膨胀来提升气压对外做功的效率。Miron 等人[8]提出了一种磁-气共振的驱动器，该结构由模制聚合物结构和气动人工肌肉组成，其中人工肌肉带有限制径向膨胀的径向增强肋；而 Correll 等人[9]在设计弹性气体腔室时增加了许多相互连通的矩形薄壁横截面以限制其径向膨胀；Mosadegh B，Polygerinos P 等人[10]通过优化传统的弹性气室（sPN），提出了快速响应软体驱动器（fPN）。fPN 由连续腔体和限制伸长层两部分组成，其中连续腔由沿轴向排布的许多独立的弹性腔体组成，每个弹性腔体连接到一个中空通道，当连续腔体在气压的作用下膨胀时相邻两个腔相互挤压，并在限制伸长层作用下发生弯曲运动。
由低模量超弹性材料制成的软体驱动器具有更好的柔顺性，但存在刚度低和承压有限的问题，此问题可以通过增加材料的模量来解决，但是增加材料的模量又会降低其延展性，从而影响驱动器的变形能力。为解决这一矛盾，研究人员在设计软体驱动器的结构时引入了波纹结构，波纹结构的特点是在波纹的脊谷处有较大的刚度，而在波纹起伏的方向刚度较小。因此，通过设计波纹结构的方向可以实现软体驱动器在不同位置的刚度，从而在气压的驱动下产生定向弯曲[5]。
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2  软体驱动器结构设计及制造工艺、
2.1  软体机械臂总体设计
在软体机械臂的驱动方式中气体驱动具有众多优点，比如重量轻、效率高、无污染、环境适应性强等，本文设计的软体机械臂采用气体驱动。
本文设计的气动软体机械臂整体构型如图 2-1 所示，主要由超弹性材料制成，具有分段式的总体结构。将三节尺寸不同但结构完全相同的软体机械臂单元串联组成一个完整的软体机械臂，从固定端到自由端分别定义软体机械臂的根部、中部和端部，各部分在软体机械臂中的功能不完全相同，其中根部主要起到支撑整个机械臂，并且要有大变形和大输出力的能力，可以让机械臂有较大范围的姿态调节能力；中部主要是连接根部和端部，但它也具有变形和力输出的能力；端部需要有精准的调节能力。
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2.2  软体驱动器结构设计
由 1.2 节可知，波纹管结构的驱动器有驱动效率高、小应变可以产生大变形以及制作材料范围广的优点，同时又有良好的灵活性、抗扭性能和承载能力。本文选用波纹管结构作为驱动器的主要结构，设计了如图 2-2（a）所示的软体驱动器，主要由波纹管驱动器基体、内骨片、上端盖、下端盖和气源管路组成。三个驱动器基体沿中心线轴对称分布，如图 2-2（b）所示；上下端盖用于基体固定，内骨片有定向和固定基体的作用。
软体驱动器的弯曲变形原理是：气体从气源管路进到波纹管驱动器基体内腔，内壁的表面积比侧壁和脊的表面积大，如图 2-3 所示，当驱动器基体内腔压力增大时更容易膨胀变形，而相邻气囊之间的距离很近，使得膨胀的内壁相互挤压，在驱动器基体脊不伸长的情况下发生弯曲，同时没有充气的驱动器基体受压弯曲，从而实现整个驱动器的弯曲变形。给不同的驱动器基体充不同气压时软体驱动器便可实现空间任意角度的弯曲变形。
本节依据 2.2 节软体驱动器的设计方案，探索了一套与之匹配的制造工艺，为后续的实验研究打下基础，其主要制作流程如图 2-4 所示。软体驱动器的制作主要包括：软体驱动器基体的制作，内骨片和端盖的制作以及驱动器基体与内骨片和端盖及气管的组装。为保证驱动器的可靠性，驱动器基体与内骨片和端盖及气管之间使用胶水粘结固定。
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3 软体驱动器静力学分析与结构优化 ............................... 17
3.1 TPU 材料超弹性本构模型 ............................. 17
3.1.1 弹性力学理论 ................................ 17
3.1.2 Yeoh 本构模型和 Ogden 本构模型 ...................... 18
4 软体机械臂构建及性能研究 ............................... 39
4.1 软体机械臂单元制作流程 ................................ 39
4.2 软体机械臂单元尺寸确定及制作 ........................ 39
4.3 软体机械臂单元封装 ........................... 40
5 软体机械臂运动学与工作空间分析 .......................... 47
5.1 软体机械臂单元运动学建模 .............................. 47
5.2 软体机械臂单元运动学仿真 ................................ 48
5.3 软体机械臂单元工作空间分析 ....................... 50
5  软体机械臂运动学与工作空间分析
5.1  软体机械臂单元运动学建模
软体机械臂的运动形式和关节表示与刚性机械臂完全不同，因此传统刚性机械臂运动学分析的方法不再适用于软体机械臂。为此国内外学者对软体机械臂的运动学问题进行研究，2003 年，HANNAN 等[61]提出一种基于常曲率假设的连续型机器人运动学算法，并在象鼻机器人上进行了一系列避障实验；2006 年，JONES 等[62,63]利用修正的 D-H 表示法实现了对连续型机械臂的运动学建模和分析；2011 年，胡海燕等[64,65]利用几何分析的方法提出了一种连续型机器人运动学算法。本章将借鉴文献中对软体机械臂运动学问题的解法，开展对软体机械臂运动学与工作空间问题的研究。
对本节研究的软体机械臂单元进行如下假设：（1）在软体机械臂单元弯曲过程中，单元的上下端面和内骨片的中心线弯曲形成的曲线为恒定曲率的连续曲线；（2）在单元弯曲过程中，假设不存在扭转变形。
采用修正的 D-H 表示法对软体机械臂单元进行运动学建模。在建模时，为了简化模型、排除制造工艺等因素的干扰，突出单元在弯曲变形过程中的特质，建立如图 5-1 所示软体机械臂单元运动学模型。
机械论文参考
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6  结论
6.1  结论
软体机械臂在与环境实现安全交互、狭小空间的灵活操作以及抓取非结构化物体等方面较传统刚性机械臂都有明显的优势，因此本文研制了一款由 3D 打印技术制造的气动波纹管型软体机械臂。利用 3D 打印技术可以制作结构复杂的软体机械臂，从而提升其运动空间；选用肖氏硬度为 85A 的柔性打印耗材可以在一定程度上提升软体机械臂的刚度，输出力以及控制精度；利用 3D 打印技术可以减少人手工的参与程度，保证软体机械臂的一致性。 本文首先分析了现有制作软体机械臂时采用的结构和制作方法，通过对比发现波纹管结构和 3D 打印技术符合本文的设计要求；然后设计了一款波纹管结构的软体机械臂，并探索出了一套与之相适应的制造工艺；接着以 TPU 超弹本构模型为依据建立有限元模型，并利用有限元模型分析结构参数对软体驱动器弯曲性能的影响规律，以及利用修正的 D-H 表示法建立软体机械臂的运动学模型，利用蒙特卡洛法求解其运动空间；最后根据有限元仿真得出的结论和实际工作需要，制作了三节软体机械臂单元。本文主要的研究内容及相关结论如下：
（1）首先本文提出了具有分段式结构的气动波纹管型软体机械臂，组成软体机械臂的单元主要采用柔性材料制作，当气压作用于软体机械臂单元时可以实现任意方向和连续角度的弯曲变形；针对所设计的软体机械臂单元，本文探索出了一套与之相适应的制造工艺，主要流程包括：软体驱动器基体的三维模型的构建、利用 3D 打印机制作软体驱动器基体、内外骨片和端盖的设计与制作、软体驱动器的组装、硅胶膜的铸造及软体机械臂单元的封装等。
（2）通过对制备软体驱动器基体使用的 TPU 材料进行拉伸实验，以类橡胶材料超弹性本构 Ogden 模型为理论基础，利用有限元分析软件，建立了软体驱动器单元的有限元模型，通过该模型分析了结构参数对于驱动器弯曲性能的影响，得出了以下结论：当在满足驱动器结构要求和打印要求时，在相同的驱动气压下，壁厚越薄，驱动器的弯曲能力越强；驱动器长度越长，驱动器的弯曲能力越强；波纹管圆心角越大，驱动器的弯曲能力越强；波纹管扇形半径越大，驱动器的弯曲能力越强；内骨片外径越小，驱动器的弯曲能力越强；气囊壁倾角越大，驱动器的弯曲能力越强；气囊间距离越小，驱动器的弯曲能力越强；气囊厚度越薄，驱动器的弯曲能力越强；气囊内壁有凸起时驱动器的弯曲能力越强。