[发明专利]水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法及装置

权利要求书

1.一种水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法，其特征在于，包括：

获取纤维束缚下软体臂在水环境中的形态分析模型，所述形态分析模型在预设纤维线缠绕角度下建立伸长模型，并采用预设材料属性模型约束轴向伸缩比和径向伸缩比；基于最大化体积法和虚功理论根据所述软体臂的形状参数和内腔压强求解所述轴向伸缩比和所述径向伸缩比，并计算所述软体臂末端的曲率，得到边界条件；在设定受力状态下，根据所述边界条件利用欧拉伯努利梁方程计算所述软体臂的位姿；

获取指定应用场景下所述软体臂的形态参数、目标受力状态参数和目标位姿参数，根据所述形态分析模型利用打靶法计算所述软体臂在所述目标受力状态参数和目标位姿参数下所需要输入的目标内腔压强；所述形态参数包括所述软体臂的初始长度、横截面积；所述目标受力状态参数包括所述软体臂的受力点位置、受力方向和受力大小；

对所述软体臂输入所述目标内腔压强。

2.根据权利要求1所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法，其特征在于，所述预设纤维线缠绕角度大于54.73度，所述伸长模型为：

λ₁²(cosψ)²+λ₂²(sinψ)²＝1；

其中，λ₁表示轴向伸缩比，λ₂表示径向伸缩比，ψ表示预设纤维线缠绕角度。

3.根据权利要求2所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法，其特征在于，所述预设材料属性模型采用不可压缩的材料属性模型，表达式为：

W＝C₁₀(I-3)；

其中，W表示应变能密度，C₁₀与所述软体臂材料相关的常数参数，I为柯西-格林应变张量的第一个不变量，λ₃表示周向剪切量。

4.根据权利要求3所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法，其特征在于，基于最大化体积法和虚功理论根据所述软体臂的形状参数和内腔压强求解所述轴向伸缩比和所述径向伸缩比，并计算所述软体臂末端的曲率，得到边界条件，包括：

建立最大化体积基本模型，表达式为：

其中，V表示所述软体臂体积，A表示横截面积，L^*表示所述软体臂变形后的长度，r₀表示所述软体臂的初始内径，λ₁表示轴向伸缩比，λ₂表示径向伸缩比；

根据虚功理论建立虚功理论模型，表达式为：

其中，V表示所述软体臂体积，W表示应变能密度，P表示所述软体臂的内腔压强，λ₁表示轴向伸缩比，λ₂表示径向伸缩比，表示求偏导；

根据所述伸长模型和所述虚功理论模型求解所述轴向伸缩比和所述径向伸缩比，并计算所述软体臂的末端曲率，表达式为：

其中，R表示所述软体臂末端的曲率半径，λ₁表示轴向伸缩比，λ₂表示径向伸缩比，r_t表示软体臂的壁厚，r表示所述软体臂形变后的内径，r₀表示所述软体臂的初始内径。

5.根据权利要求4所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法，其特征在于，在设定受力状态下，根据所述边界条件利用欧拉伯努利梁方程计算所述软体臂的位姿，其中，在所述软体臂仅受重力作用下的静力学模型表达式为：

在所述软体臂末端受力条件下的静力学模型表达式为：

G＝(ρ_g-ρ_w)Vg；

其中，EI是所述软体臂的刚度参数，θ(s)表示距离所述软体臂末端长度s处切向与水平方向的夹角，θ′(s)表示θ(s)的一阶导，G表示所述软体臂在水环境下自身受力状态，ρ_w表示水的密度，ρ_g表示所述软体臂的材料密度，q表示单位长度上的负荷。