[发明专利]一种软体攀爬机器人建模方法

说明书

本发明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，分析密闭空腔变形层上各点变形与密闭空腔内部气体压强之间关系，得出不同密闭空腔数量下，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。

技术领域

本发明涉及一种软体攀爬机器人得建模方法，属于驱动行进技术领域。

背景技术

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，发明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密闭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密闭空腔内，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。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明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，本发明采用的技术方案为：

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密闭空腔内部气体压强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，储存在密闭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为密闭空腔内部气体压强，V为初始密闭空腔体积，k_p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，初始密闭空腔体积：

其中，为模块内密闭空腔对应角度，R₁为驱动器初始半径，R₂为中心圆形密闭空腔半径，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为密闭空腔对应部分长度；

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：