[发明专利]一种超小型管道软体机器人大变形驱动器结构设计方法

权利要求书

1.一种超小型管道软体机器人大变形驱动器结构设计方法，其特征在于，该方法包含如下处理步骤：

步骤(1)基于现有软体机器人给定待设计驱动器结构；

步骤(2)建立第1驱动器的初始构型；

步骤(3)建立所述初始构型有限元模型；

步骤(4)建立结构优化模型；

步骤(5)建立所述第1驱动器最优工程构型；

在所述步骤(1)中，所述现有软体机器人包括驱动器模组、前端锚定器、后端锚定器、内窥镜；所述驱动器模组，包括具有相同结构的n个驱动器，n取值3或者4，依次为第1驱动器、第2驱动器、……、第n驱动器；所述n个驱动器呈围绕所述软体机器人的中轴线呈360°均匀布置的圆环体；所述圆环体结构尺寸包括所述圆环体的外圆半径、内圆半径、长度，根据所述软体机器人的设计需求给定所述圆环体结构尺寸的数值；

在所述步骤(1)中，所述给定待设计驱动器结构是指以所述第1驱动器为设计对象；

在所述步骤(2)中，所述建立驱动器的初始构型是指，所述初始构型设计为一个由扇形腔截面拉伸得到的扇形腔，包含中腔壁、后腔壁、前腔壁；所述初始构型的结构尺寸包括：L、t、θ、r、R、d；L是所述初始构型的长度，t是腔壁厚度，给定t＝0.64r；θ、r、R分别表示所述扇形腔截面的角度、内圆半径、外圆半径，给定θ＝360°/n；其中，R根据所述圆环体的外圆半径给定、r根据所述圆环体的内圆半径给定、L根据所述圆环体的长度给定；d是所述扇形腔截面的外轮廓线到中轮廓线之间的距离，给定d＝0.75t；所述外轮廓线等距内缩d得到所述中轮廓线；所述中轮廓线拉伸形成的切割面将所述中腔壁分割为设计域、限制域；所述初始构型内部设有相同壁厚b、轴向等距分布的m个连接壁，连接壁上设有通气孔；b表示所述m个连接壁的厚度，给定b＝0.5t；给定m＝round(L/R-1)＝4，round()表示四舍五入取整运算；

在所述步骤(3)中，所述建立初始构型有限元结构的步骤如下：

(3.1)建立初始构型有限元结构，包括结构体、结构尺寸、结构单元；所述结构体包含中腔壁体、后腔体、m个连接壁体；中腔壁体、后腔体分别对应所述中腔壁、所述后腔壁；所述m个连接壁体对应所述m个连接壁；所述中腔壁体分割为设计域体、限制域体，对应所述设计域、所述限制域；所述结构尺寸根据所述初始构型的结构尺寸(L、t、θ、r、R、d)给定；所述结构单元设置为八节点线性体单元；

(3.2)定义材料属性，包含结构体的材料模型、材料参数；所述材料模型定义为弹性体模型；所述材料属性为E、μ，分别代表弹性模量、泊松比，E、μ的数值由软体材料力学性能测试得到；

(3.3)定义边界条件，是指对所述中腔壁体的前端面设置固支边界；

(3.4)定义载荷，是指对所述中腔壁体的内壁面设置压力载荷P，给定P＝0.03E；

(3.5)定义变形特征点和变形特征值；变形特征点是指所述后腔体外表面的下弧线中点；所述变形特征值是指在压力载荷P的作用下所述结构体发生变形后，所述下弧线中点向弧线中心点方向的位移；

(3.6)定义有限元网格特征，包含网格化策略和网格化尺寸；所述网格化策略设为全局近似策略，所述网格化尺寸设为0.12r；

(3.7)定义求解器，是指将求解器设定为商业有限元软件ABAQUS的静态通用求解器；

在所述步骤(4)中，所述建立结构优化模型的步骤如下：

(4.1)设定结构优化工具，包含有限元模型、工具类型、工具特征；有限元模型指定为所述初始构型有限元模型，所述工具类型设为商业有限元软件ABAQUS的拓扑优化工具，所述工具特征设为冻结载荷施加区域和边界条件施加区域；

(4.2)设定设计响应，包含位移响应、体积响应；所述位移响应设为所述变形特征值，所述体积响应设为所述设计域体的体积值；

(4.3)设定优化目标为最大化所述位移响应；

(4.4)设定设计约束为优化后的体积响应小于或等于所述体积响应初始值的50％；

(4.5)设定冻结区域为所述结构体除去所述设计域体以外的部分；

(4.6)设定优化求解最大循环次数为20次；

(4.7)通过所述结构优化工具求解输出所述第1驱动器的最优理论构型。

2.根据权利要求1所述一种超小型管道软体机器人大变形驱动器结构设计方法，在所述步骤(5)中，所述建立驱动器的最优工程构型，是指对所述最优理论构型进行规则化处理得到所述第1驱动器的最优工程构型；所述规则化处理是指以线性几何特征替代所述最优理论构型中强非线性几何特征，得到满足工程制造要求的结构体。