[发明专利]一种基于常曲率假设的弹性软体机器人运动学建模方法

摘要

本发明提出一种基于常曲率假设的弹性软体机器人运动学建模方法，属于机器人运动学建模领域。该方法利用基尔霍夫杆理论以及常曲率假设，首先建立植入弹性软体机器人柔性材料中的人工肌肉对应的力、位移、控制量的方程；随后计算弹性软体机器人工作温度下的实际长度，并利用柔性材料的力学参数进行计算；最后计算关于中性面的截面惯量矩，计算弹性软体机器人在工作温度下的曲率半径和角度，得到工作温度下的弹性软体机器人的真实形状，完成运动学建模。本方法建模过程简单方便，考虑了弹性软体机器人弹性形变的影响，不涉及偏微分方程的数值计算，能够快速地建立弹性软体机器人的形状以及其中人工肌肉参数的关系。

主权项

1.一种基于常曲率假设的弹性软体机器人运动学建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)获取植入弹性软体机器人柔性材料中的人工肌肉的材料参数，建立该人工肌肉对应的力、位移、控制量方程，表达式如下：其中，F_actuator为柔性材料人工肌肉在不同的工作温度下、不同实际长度下两端的输出力，L₀为柔性材料人工肌肉的空载、室温状态下的原长，α为该柔性材料人工肌肉的等效热膨胀系数，T为弹性软体机器人的工作温度，L_a为柔性材料人工肌肉在工作温度T下的实际长度，k为柔性材料人工肌肉的等效刚度；(2)计算弹性软体机器人在工作温度下的实际长度L，并利用柔性材料的力学参数计算等效杨氏模量E、等效截面积A、机器人弯曲的中性面距离底面高度y₀；具体步骤如下：(2‑1)计算弹性软体机器人在工作温度T下的实际长度；其中，在工作温度下，弹性软体机器人的实际长度L与人工肌肉的实际长度L_a相等；其中，n为植入柔性材料的人工肌肉的并联数目；(2‑2)自底部为基准面计算柔性材料的力学参数，包括：等效杨氏模量E、等效截面积A、机器人弯曲的中性面距离底面高度y₀；其中，h_i为第i层的柔性材料的厚度，E_i为第i层的柔性材料的杨氏模量，N为柔性材料的层数总数；其中b为弹性软体机器人的宽度；(3)计算弹性软体机器人关于中性面的截面惯量矩I，得到弹性软体机器人在工作温度下的曲率半径r和角度θ；具体步骤如下：(3‑1)计算关于中性面的截面惯量矩I：I＝βI′其中β为待定常数；(3‑2)使用下式计算弹性软体机器人的力学估算曲率半径r⁽¹⁾；其中，d为人工肌肉距离基准面的距离；(3‑3)计算弹性软体机器人的形状估算曲率半径r⁽²⁾；(3‑4)计算并且外推该值到L＝L₀处，纵坐标截距即为待定常数β的值；(3‑5)将步骤(3‑4)得到的β值带入下式得到弹性软体机器人的曲率半径r以及角度θ；(4)利用步骤(2‑1)得到的实际长度L，以及步骤(3‑5)得到的曲率半径r以和角度θ，得到工作温度T弹性软体机器人的真实形状，弹性软体机器人运动学建模完毕。