一种软体攀爬机器人建模方法技术

本发明专利技术公开了一种软体攀爬机器人建模方法，所述软体攀爬机器人包括由外向内依次设置的变形层(1)、支撑层(2)、约束层(3)以及中心容纳腔(4)，通过使用弹性力学中最小势能方法，分析空腔变形层上各点变形与空腔内部气体压强之间关系，得出不同空腔数量下，变形层与索面形成接触理论需要的变形，因此能够很容易的得到最优符合目标性能的软体攀爬机器人。

A Modeling Method for Software Climbing Robot

【技术实现步骤摘要】
一种软体攀爬机器人建模方法
本专利技术涉及一种软体攀爬机器人得建模方法，属于驱动行进

技术介绍
软体机器人由于本体大都由软体材料构成，所以具有对非结构化环境良好的适应性。根据现有的气动网格的驱动方式，将软体材料的高适应性特点应用于高杆、拉索等，设计出本文所示的软体攀爬机器人。气动电路控制板是一个开源的硬件平台，可用于操作和控制气动软体驱动器。气动电路控制板可以为软体机器人提供驱动力并进行实施监测，控制板上核心是采用Arduino处理器，气动电路控制板可以让研究人员能够实时监测软体驱动器的多项参数。申请人于2017.1.23申请了一份申请号为201710058195.9，专利技术名称为一种气动软体爬杆机器人，软体机器人本体为设有开口的环形，且截面为圆形。软体机器人本体设有中心容纳空腔和若干个密闭气腔。软体机器人本体具有三个刚度逐渐递增的材料层，分别为变形层、中间层和约束层。电磁夹紧装置包括设在两个开口端面上的电磁铁A和电磁铁B。驱动控制系统设置在中心容纳空腔内，驱动控制系统包括充气控制阀、气泵、微型控制器和便携电源。便携电源用于向电磁铁A和电磁铁B供电，遥控设备与微型控制器无线连接。该专利采用软体材料构建，具有很强的环境适应能力，能适用于杆状物管内或管外的爬升，以及能攀爬一定程度的弯管。但是由于软体攀爬机器人结构复杂，材料繁多且大多具有非线性特点，其软体机器人建模技术并不成熟，制约了软体机器人的发展和应用，不能够得到效能最佳的软体攀爬机器人。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种软体攀爬机器人建模方法，本方法通过对变形层、支撑层的建模，能够很容易的得到符合目标性能的软体攀爬机器人。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种软体攀爬机器人建模方法，所述软体攀爬机器人包括由外向内依次设置的变形层(1)、支撑层(2)、约束层(3)以及中心容纳腔(4)，所述支撑层(2)上设置有两个以上的密闭空腔(21)，变形后的变形层呈现的曲线方向和大小由空腔内压强P和材料抗弯刚度D决定；当不考虑变形层弯矩对整个系统的影响时，储存在空腔和周围弹性体中的总势能构成的最小势能方程为：其中，初始抗弯刚度E是变形层弹性模量，所取模块厚度为h，t1为变形层厚度，单个模块的变形层长度为变量l1，P为空腔内压强，V为初始空腔体积，kp为不考虑变形层弯矩时变形层上C点的曲率；忽略变形层的厚度t1对体积的影响，初始空腔体积：其中，为模块内空腔对应角度，R1为驱动器初始半径，R2为中心圆形空腔半径，t2为约束层厚度；根据最小势能原理，一阶变分为零，那么得到：其中，l2为空腔对应部分长度；实际变形时，变形层变形的同时也改变了抗弯刚度D，抗弯刚度变化同时也会阻止变形层变形；，当考虑变形层弯矩影响时的最小势能方程为：其中，Vp为变形对应空腔体积，M为弯矩，k为变形层上C点最终曲率；不考虑变形层弯矩影响时曲率为kp，此时对应空腔体积变为Vp：根据最小势能原理，一阶变分为零，并且对弯矩M＝0进行泰勒展开，变形层上C点的最终曲率k为：其中，o[M2]表示弯矩M＝0的泰勒展开；抗弯刚度D在变形层弯矩的作用下变化为：其中A点坐标O点到C点的距离为变量a，所以C点坐标(0,a)，a随着气体压强的p增大，O点到C点的距离a增大。将变形层简化看成一条曲线，为弧AB，弧AB近似为：其中，f(x)表示弧AB，驱动器初始半径为R1，所取单个模块对应角度为θ的部分，x为变形层上点在直角坐标系的横坐标，O点到C点的距离为变量a，随着压强P变化而变化；变形层上各点的曲率：变形层上各点曲率为：当变形层要与索面形成接触，索面直线方程为：弧AB方程与直线方程有交点，则：方程在(-R1,0)中有解，即变形层与索面接触。软体攀爬机器人在夹紧机构作用下以夹紧力Q与索面形成接触，驱动器与索面接触的初始接触点为I，变形后的变形层与硬面的接触点为E，在E点对硬面的作用合力为F，硬面会给机器人反作用合力N＝F；在机器人夹紧力Q与驱动力N这一对力偶(Q,N)的作用下使机器人产生逆时针转动趋势，此时机器人将要转动的趋势，受到接触面上静摩擦力阻碍作用，阻止机器人发生自转；由于机器人和索面实际上并不都是刚体，在夹紧力作用下会发生变形，有一个接触面，在接触面上I为原始接触点，I'为变形后边界接触点，I'点为驱动器的临界力矩中心，是瞬时不动点，又称瞬心；从而在机器人滚动时还会形成滚动摩擦F滚，驱动力能使物体绕I'点滚动，在滚动过程中由于瞬心I'的位置沿贴切面不断改变，从而使两物体产生了相对运动，夹紧力Q对I'点的力距为驱动器的滚动摩阻力矩M滚；在接触面上，机器人想要实现滚动，必须克服最大滚动摩阻力偶矩M滚，滚动摩阻力偶矩M滚随着主动力偶矩增加而增加，当驱动力增加到某个值，驱动器处于将动未动临界状态，此时处于最大滚动摩阻力矩M滚，当驱动力N继续再增大，机器人即可实现滚动。当软体驱动器放置在斜坡平面上，只受到重力作用，当驱动器在重力作用下可以向下滚动时满足力偶平衡方程：mrgR1sinβ-δ(mrgcosβ)≥0其中mr是驱动器的质量，g是重力加速度，R1是驱动器的半径，β是斜坡的倾斜角，δ是滚动摩阻系数。假设软体驱动器与坡面不打滑，球体在运动过程中做匀速滚动，向下滚动时力偶矩平衡，此时斜坡倾斜角满足关系为：结合实验室制作出的实物模型，给定系统的各项参数，可计算出驱动器可以在重力作用下沿斜坡向下滚动的倾斜角。在忽略变形后微小质心变化的理想情况下，假设驱动器在斜坡面上不打滑。对驱动器进行受力分析，要使驱动器可以沿斜坡向上滚动，需要整个系统质点系关于接触点I产生逆时针的驱动力矩满足下述力偶矩平衡方程：Nl-mrgR1sinβ-δ(mrgcosβ+Q)≥0其中N是驱动力，l是力臂，mr是驱动器的质量，g是重力加速度，R1是驱动器的半径，β是斜坡的倾斜角，δ是滚动摩阻系数，Q是夹紧力。可知：从而可知，斜坡倾斜角β满足上述关系时可以实现滚动。由于驱动器质量mr，半径R1，重力加速度g，滚动摩阻系数δ，都为定量。当夹紧力Q恒定时，机器人可以满足爬升的斜坡倾斜角β只与驱动力N与力臂l有关，成正比关系。假设软体驱动器与坡面不打滑，球体在运动过程中做匀速滚动，此时整个系统质点系关于接触点I产生逆时针的驱动力矩满足下述力偶矩平衡，此时斜坡倾斜角满足关系为：基于以上分析对软体驱动器的运动能力进行仿真，结合实验室制作出的实物模型，给定系统的各项参数，可计算出理论攀爬最大倾斜角度。优选的：所述软体攀爬机器人为设置有开口的环形，具有两个开口端面。优选的：每个密闭空腔均从入口处通过一根气管与气泵连接。优选的：所述密闭空腔与气管之间通过气滑环转接连接。优选的：所述密闭空腔的断面为扇形、半圆形或者圆形。本专利技术相比现有技术，具有以下有益效果：通过使用弹性力学中最小势能方法，分析空腔变形层上各点变形与空腔内部气体压强之间关系，得出不同空腔数量下，变形层与索面形成接触理论需要的变形，分析空腔变形层上各点总变形量和等效应力变化，因此能够很方便的得到最优符合目标性能的软体攀爬机器人。附图说明图1软体攀爬机器人模型图2力学分析图图3单个模块三维图图4单个模块分析图图5单个空腔受力变形图6空腔数量为5个接触本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种软体攀爬机器人建模方法，所述软体攀爬机器人包括由外向内依次设置的变形层(1)、支撑层(2)、约束层(3)以及中心容纳腔(4)，所述支撑层(2)上设置有两个以上的密闭空腔(21)，其特征在于：变形后的变形层呈现的曲线方向和大小由空腔内压强P和材料抗弯刚度D决定；当不考虑变形层弯矩对整个系统的影响时，储存在空腔和周围弹性体中的总势能构成的最小势能方程为：

【技术特征摘要】
1.一种软体攀爬机器人建模方法，所述软体攀爬机器人包括由外向内依次设置的变形层(1)、支撑层(2)、约束层(3)以及中心容纳腔(4)，所述支撑层(2)上设置有两个以上的密闭空腔(21)，其特征在于：变形后的变形层呈现的曲线方向和大小由空腔内压强P和材料抗弯刚度D决定；当不考虑变形层弯矩对整个系统的影响时，储存在空腔和周围弹性体中的总势能构成的最小势能方程为：其中，初始抗弯刚度E是变形层弹性模量，所取模块厚度为h，t1为变形层厚度，单个模块的变形层长度为变量l1，P为空腔内压强，V为初始空腔体积，kp为不考虑变形层弯矩时变形层上C点的曲率；忽略变形层的厚度t1对体积的影响，初始空腔体积：其中，为模块内空腔对应角度，R1为驱动器初始半径，R2为中心圆形空腔半径，t2为约束层厚度；根据最小势能原理，一阶变分为零，那么得到：其中，l2为空腔对应部分长度；实际变形时，变形层变形的同时也改变了抗弯刚度D，抗弯刚度变化同时也会阻止变形层变形；当考虑变形层弯矩影响时的最小势能方程为：其中，Vp为变形对应空腔体积，M为弯矩，k为变形层上C点最终曲率；不考虑变形层弯矩影响时曲率为kp，此时对应空腔体积变为Vp：根据最小势能原理，一阶变分为零，并且对弯矩M＝0进行泰勒展开，变形层上C点的最终曲率k为：其中，o[M2]表示弯矩M＝0的泰勒展开；抗弯刚度D在变形层弯矩的作用下变化为：其中，A点坐标O点到C点的距离为变量a，所以C点坐标(0,a)，a随着气体压强的p增大，O点到C点的距离a增大；将变形层简化看成一条曲线，为弧AB，弧AB近似为：其中，f(x)表示弧AB，驱动器初始半径为R1，所取单个模块对应角度为θ的部分，x为变形层上点在直角坐标系的横坐标，O点到C点的距离为变量a，随着压强P变化而变化；变形层上各点的曲率：变形层上各点曲率为：2.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐丰羽，芦雨轩，杨裕栋，蒋国平，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32