利索能及
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专利号: 2019103304177
申请人: 南京邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

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驱动器、为机器人提供夹紧的夹紧机构,在夹紧机构的配合下布置在拉索上,所述驱动器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),驱动器的密闭空腔数量为n个,将驱动器等分为n个模块,单个模块只包含一个密闭空腔,所述密闭空腔的断面为扇环形,其特征在于:将变形层简化看成一条曲线,为弧AB,假设A、B两点在充气变形后位置不变,以圆形驱动器的圆心作为坐标原点O建立直角坐标系,坐标轴x平行于直线AB,坐标轴y平分所取的单个模块,C点为弧AB上的一点,A点坐标 O点到C点的距离为变量a,C点坐标(0,a),a随着密闭空腔内部气体压强的p增大,O点到C点的距离a增大;

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,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为中心容纳腔的半径,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:其中,Vp为变形对应密闭空腔体积,M为变形层弯矩,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,此时对应密闭空腔体积变为Vp:根据最小势能原理,一阶变分为零, 并且对变形层弯矩M=0进行泰勒展开,变形层上C点的最终曲率k为:

2

其中,o[M]表示变形层弯矩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:弧AB近似为:

其中,f(x)表示弧AB,θ为所取单个模块对应角度,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,随着密闭空腔内部气体压强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,方程为:在(‑R1,0)中有解,即变形层与索面接触。

2.根据权利要求1所述软体攀爬机器人建模方法,其特征在于: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,机器人在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,此时机器人产生将要转动的趋势,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力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'点的力矩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矩M滚,滚动摩阻力矩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。

3.根据权利要求2所述软体攀爬机器人建模方法,其特征在于: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。

4.根据权利要求3所述软体攀爬机器人建模方法,其特征在于:每个密闭空腔均从入口处通过一根气管与气泵连接。

5.根据权利要求4所述软体攀爬机器人建模方法,其特征在于:所述密闭空腔与气管之间通过气滑环转接连接。