《一種新型軟體仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》8200字（論文）

一種新型軟體仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要仿蚯蚓機(jī)器人作為一種新型軟體仿生機(jī)器人，在各個(gè)領(lǐng)域都有這一定的應(yīng)用能力，由于其適應(yīng)性好，并且體積大小不受限制，可以用于各種環(huán)境下工作，可以用于災(zāi)后搜救，醫(yī)療檢查，管道檢測等方面。本文設(shè)計(jì)了一種利用氣囊作為主體的蚯蚓仿生機(jī)器人，其具有更好的適應(yīng)性，可在災(zāi)后搜救中起到重大作用。本文主要介紹了蚯蚓仿生機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器選擇，主體結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)機(jī)理，以及蚯蚓仿生機(jī)器人的具體制備過程，本次設(shè)計(jì)的蚯蚓仿生機(jī)器人由氣囊驅(qū)動(dòng)作為軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，氣囊是由3D打印機(jī)打印模具再利用硅膠填充模具制作而成。本次設(shè)計(jì)的蚯蚓仿生機(jī)器人最終由三節(jié)氣囊、頭尾機(jī)體與連接機(jī)體組成，可以實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)功能，頭部可以搭載各種傳感器，攝像頭等。可以更好的實(shí)現(xiàn)搜救、勘測等功能。關(guān)鍵詞：軟體驅(qū)動(dòng)器，3D打印，仿生機(jī)器人目錄第一章緒論 11.1題目的意義、目的： 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 11.3軟體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀分析 31.3.1驅(qū)動(dòng)技術(shù) 31.3.2制作方法 31.4本文主要研究內(nèi)容 31.5論文總體結(jié)構(gòu) 3第二章機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 52.1軟體驅(qū)動(dòng)器及其材料選擇 52.2驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 52.3驅(qū)動(dòng)器工作原理 82.4機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成 82.5機(jī)器人的動(dòng)作原理 10第三章機(jī)器人的制備 123.1打印關(guān)鍵設(shè)備及材料 123.2制備過程 12第四章軟體機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究 144.1蚯蚓仿生機(jī)器人的移動(dòng)性能試驗(yàn) 144.2蚯蚓仿生機(jī)器人的適應(yīng)性測試 14第五章總結(jié) 15參考文獻(xiàn) 16第一章緒論1.1題目的意義、目的：意義：軟體機(jī)器人是以自然界的軟體生物為原型而發(fā)展起來的一種機(jī)器人，其軀體主要由可以承受大變形的彈性材料構(gòu)成。相比于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人可以產(chǎn)生無限自由度的形變，使得機(jī)器人的某一端點(diǎn)可達(dá)到三維空間內(nèi)的任意位置，可以進(jìn)入構(gòu)造復(fù)雜、空間狹小的一般剛性機(jī)器人無法進(jìn)入的復(fù)雜環(huán)境。而且，軟體機(jī)器人表面對(duì)壓力的抵抗性比較低，可以和障礙物有很好的融合性。隨著科學(xué)技術(shù)技的不斷進(jìn)步,人們對(duì)于自然界的生物有了更深入的研究，基于仿生學(xué)原理的各種仿生機(jī)器人越來越受到各國研究學(xué)者的高度重視?，F(xiàn)如今，人們?cè)诜律鷻C(jī)器人方面已經(jīng)取得了許多重要的成果。仿生機(jī)器人的價(jià)值也不斷的體現(xiàn)出來，與傳統(tǒng)的機(jī)器人相比，仿生機(jī)器人有著更加廣闊的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿?。目的：蚯蚓是通過控制不同節(jié)的徑向尺寸粗細(xì)的順序，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)靈活方便。本文設(shè)計(jì)的蚯蚓仿生機(jī)器人是一種軟體仿生機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)像蚯蚓一樣的“無肢運(yùn)動(dòng)”，其具有良好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，適應(yīng)地形能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)體積較小，適應(yīng)各種狹小的環(huán)境，關(guān)節(jié)不外露，可以很好的密封等優(yōu)點(diǎn)。蚯蚓仿生機(jī)器人在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如在有輻射、有粉塵、有毒及戰(zhàn)場環(huán)境下，執(zhí)行偵察任務(wù)、在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中找尋傷員；在狹小和危險(xiǎn)條件下探測和疏通管道等。本文設(shè)計(jì)了一種由軟體氣囊驅(qū)動(dòng)的蚯蚓仿生機(jī)器人。其結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動(dòng)方式簡單，制作方便，其在未來可能有很高的利用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：國外的仿蚯蚓機(jī)器人有Calderonl等人以蚯蚓為靈感1研發(fā)出的氣動(dòng)蚯蚓仿生機(jī)器人，其能夠在管道內(nèi)進(jìn)行仿蚯蚓式運(yùn)動(dòng)。仿生蚯蚓爬行機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)方式是通過兩個(gè)環(huán)形肌肉(徑向執(zhí)行器)和一個(gè)人造縱向肌肉(軸向執(zhí)行器)來完成的，通過氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模擬蚯蚓的運(yùn)動(dòng)并復(fù)制單個(gè)蚯蚓腔室的功能，所制作的軟體機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)基本運(yùn)動(dòng):水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)和變斜率運(yùn)動(dòng)。另外還有Joey等人制作的仿生蚯蚓爬行機(jī)器人，其通過主動(dòng)改變作用在其身上的摩擦力實(shí)現(xiàn)在平面上爬行。蚯蚓是分段的，由稱為metameres的重復(fù)的單元組成。在爬行過程中，蚯蚓肌肉使這些單元相互作用從而產(chǎn)生蠕動(dòng)波，并且可伸縮剛毛產(chǎn)生可變的牽引力。所制作的機(jī)器人采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)軟執(zhí)行器，并復(fù)制蚯蚓爬行時(shí)的這兩個(gè)機(jī)制。機(jī)器人可以在具有不同摩擦系數(shù)的表面上模擬蚯蚓的蠕動(dòng)爬行，同時(shí)利用可控子空間的概念，證明機(jī)器人在沒有摩擦的情況下是不可能移動(dòng)的。國內(nèi)仿蚯蚓機(jī)器人研究值得借鑒的有浙江大學(xué)2005年研制的仿生“蚯蚓"機(jī)器人的SMA執(zhí)行器。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器采用形狀記憶合金彈簧，機(jī)器人的外表面有硅膠皮組成。當(dāng)在SMA彈簧之上加一定電流，由于焦耳效應(yīng)SMA被加熱并收縮(在奧氏體態(tài)時(shí))，硅膠皮因縱向受力而收縮彎曲;當(dāng)撤去電流，SMA冷卻，SMA彈簧回到塑性態(tài)(即馬氏體態(tài)，這時(shí)具有較低的剛性)，硅膠皮本身具有的張力就能恢復(fù)單元原始形狀，將SMA彈簧拉伸至原始位置。這樣就可以是機(jī)器人模擬蚯蚓的運(yùn)動(dòng)機(jī)理運(yùn)動(dòng)。圖1-11.3軟體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀分析1.3.1驅(qū)動(dòng)技術(shù)本文所研究的蚯蚓仿生機(jī)器人是一種軟體機(jī)器人。軟體機(jī)器人發(fā)展至今，已經(jīng)誕生出了很多的驅(qū)動(dòng)方式，如：形狀記憶合金、介電彈性體、流體彈性、電活性聚合物等驅(qū)動(dòng)方式，并且每一種驅(qū)動(dòng)方式的使用方法、使用條件、制作方式等都有所不同。所以，選擇一種合適的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)于本次蚯蚓仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作十分重要，是本次研究的核心內(nèi)容之一。1.3.2制作方法目前，大部分軟體機(jī)器人都是利用模具澆筑進(jìn)行制作，但是使用澆筑這種方法制作出的驅(qū)動(dòng)器在精度等方面上一直存在很多問題。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，為了改善現(xiàn)有方法的問題，現(xiàn)在也有利用3D打印技術(shù)進(jìn)行軟體機(jī)器人的制作，但是這種方法的難度較大，要求較高，制作方法仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人精度要求不是很高，并且制作條件有限，所使用的制作方式為模具澆筑。1.4主要研究內(nèi)容本文主要對(duì)蚯蚓仿生機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和制作進(jìn)行了詳細(xì)的研究，選出最適合的驅(qū)動(dòng)器，并且對(duì)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)原理、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行詳細(xì)的研究與介紹。本文還詳細(xì)介紹了本次軟體驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵制作設(shè)備和具體制作方法。在制作完成后，再對(duì)機(jī)器人進(jìn)行簡單的試驗(yàn)，測試其能否達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。1.5論文總體結(jié)構(gòu)第一章，主要介紹了軟體機(jī)器人的研究目的、意義及其發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)軟體機(jī)器人現(xiàn)存的驅(qū)動(dòng)方式與制作方法進(jìn)行簡單介紹，最后，對(duì)本文的研究內(nèi)容進(jìn)行概括總結(jié)第二章，主要介紹了軟體驅(qū)動(dòng)器的選擇與驅(qū)動(dòng)器材料的選擇。確定本次設(shè)計(jì)使用的驅(qū)動(dòng)器為氣囊驅(qū)動(dòng)器，材料為硅膠。在確定驅(qū)動(dòng)方式與材料后，對(duì)模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其能夠澆筑出所需的氣囊。最后對(duì)驅(qū)動(dòng)器的工作原理、機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。第三章，主要對(duì)軟體機(jī)器人的制備以及制備所用到的關(guān)鍵設(shè)備、材料進(jìn)行詳細(xì)的介紹，對(duì)驅(qū)動(dòng)器氣囊的澆筑過程進(jìn)行了分步介紹，詳細(xì)的描述了整個(gè)驅(qū)動(dòng)器氣囊的制作方法與制作過程。第四章，對(duì)已經(jīng)制作好的蚯蚓仿生機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)性能與適應(yīng)性進(jìn)行測試。第五章，對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

第二章機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1軟體驅(qū)動(dòng)器及其材料選擇制作軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器是設(shè)計(jì)軟體機(jī)器人的關(guān)鍵，本文設(shè)計(jì)的是一種蚯蚓仿生機(jī)器人，需要實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下的隨意移動(dòng)，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。所以設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器時(shí)首先要考慮的是機(jī)器人的工作環(huán)境，以確保驅(qū)動(dòng)器在此環(huán)境下能夠完成工作。其次要考慮的是驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方式與材料的性價(jià)比。現(xiàn)如今，軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，如形狀記憶合金、人造肌肉、流體彈性等驅(qū)動(dòng)方式。（1）形狀記憶合金：形狀記憶合金合金也被稱作SMA驅(qū)動(dòng)器，是一類具有“記憶”功能的材料。它與普通的合金不同，可以保持自己的形狀，在形狀改變后通過加熱又可以恢復(fù)到原來的形狀。在驅(qū)動(dòng)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行控制，使其不斷地進(jìn)行變形，達(dá)到驅(qū)動(dòng)的效果。（2）人工肌肉:人工肌肉是一種離子交換聚合物金屬復(fù)合材料，形變方式是對(duì)聚合物薄膜施加電壓，使其發(fā)生彎曲。驅(qū)動(dòng)時(shí)不斷地施加電壓使其不斷的進(jìn)行變形，達(dá)到驅(qū)動(dòng)的效果。（3）氣體驅(qū)動(dòng)器：氣體驅(qū)動(dòng)器的研究始于上世紀(jì)50年代，是流體彈性驅(qū)動(dòng)器的一種，經(jīng)過多年的發(fā)展，氣體驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，驅(qū)動(dòng)器的工作原理是將氣體充入氣囊，通過氣囊充氣排氣后的形變進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在以上幾種方式中進(jìn)行對(duì)比后，本次設(shè)計(jì)選用硅膠氣囊式氣體驅(qū)動(dòng)器。硅膠氣囊驅(qū)動(dòng)器的承載能力高、整體變形能力好。氣囊利用氣泵就可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，甚至有些小型驅(qū)動(dòng)器利用針管就可以驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)條件簡單。硅膠氣囊的材料為硅膠，硅膠的韌性好、柔性好、制作方式簡單、有較高的性價(jià)比。2.2驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的主要功能為伸長與縮短，硅膠波紋管式氣囊在充氣與排氣時(shí)可以良好的實(shí)現(xiàn)伸長與縮短，可以完美實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能需求，所以機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器氣囊的設(shè)計(jì)為波紋伸縮管式。為了制作所需的氣囊，需要對(duì)澆筑使用的模具進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，為了制造出所需的圓筒形波紋伸縮管氣囊，本次設(shè)計(jì)了下列模具：左右夾板、前后夾板、底座。為了得到想要的波紋形狀，前后夾板的設(shè)計(jì)為波浪形，夾板可上下配合，中間留有波紋形狀的空隙；左右夾板為簡單的長方形片，主要作用是封住前后夾板的兩側(cè)并將前后夾板的左右固定?。坏鬃鶠殚L方形凹槽，使用時(shí)將前后左右夾板插入其中，起到整體固定的作用。將模具組裝完成后，就可以得到一個(gè)澆筑所需的波浪形空腔。模具結(jié)構(gòu)如下：圖2-1圖2-2圖2-3圖2-4利用本次設(shè)計(jì)的模具制作出的硅膠模型為一個(gè)波浪狀長方形片，將得到的長方形硅膠模型卷起并將波紋型截面的兩端合并粘連在一起就可以得到一個(gè)波紋形伸縮圓筒，再將圓筒兩端密封住，即可得到所需的氣囊。2.3驅(qū)動(dòng)器工作原理本次所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)為圓柱形波紋伸縮管。圓柱形波紋管的橫截面為波浪形，當(dāng)硅膠氣囊處于收縮狀態(tài)時(shí)，波浪的角度很小，折疊在一起，當(dāng)氣囊充氣時(shí)，氣囊內(nèi)部體積會(huì)變大，把波浪的形狀撐開，使波浪角度變大接近直線狀，波浪由折疊狀態(tài)變?yōu)橹本€狀態(tài)的過程中，長度會(huì)被拉長。同理，圓柱形波紋管在充氣排氣時(shí)整體也會(huì)被拉長與縮短，這樣，整個(gè)硅膠氣囊就可以通過不斷地充氣與排氣來完成前后伸縮。截面伸縮情況如下圖所示。圖2-52.4機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成本次設(shè)計(jì)的蚯蚓仿生機(jī)器人由頭部、尾部、機(jī)體1、機(jī)體2以及三節(jié)氣囊組。如下圖所示：圖2-7頭部尾部與機(jī)體1、2可以在蚯蚓仿生機(jī)器人的移動(dòng)過程中起到固定作用，來保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向性，如何保證方向性的原理與方法將在下文介紹。機(jī)體1、2在保證方向性的同時(shí)也起到了減少運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力、延長機(jī)器人使用壽命等作用。在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)體1、2代替硅膠氣囊與地面進(jìn)行直接接觸，機(jī)體1、2相比硅膠氣囊，與地面接觸的摩擦力更小，可以減少蚯蚓仿生機(jī)器人在移動(dòng)過程中的摩擦阻力，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加順滑流暢；并且硅膠氣囊不與地面進(jìn)行直接接觸可以大大減少運(yùn)動(dòng)過程中硅膠氣囊的磨損，大幅度減少運(yùn)動(dòng)過程中硅膠氣囊的磨損，可以極大地延長硅膠氣囊的使用壽命。在機(jī)器人氣囊故障時(shí)，采用機(jī)體1、2進(jìn)行連接可以快速的進(jìn)行更換修理。如果是硅膠氣囊直接進(jìn)行連接，在其中一個(gè)硅膠氣囊損壞無法工作時(shí)，所有的硅膠氣囊都連接在一起無法拆開，需要一起進(jìn)行更換修理，而采用機(jī)體1、2進(jìn)行硅膠氣囊之間的連接時(shí)，在更換時(shí)只需要將損壞的硅膠氣囊從機(jī)體、頭部、尾部之間拆下進(jìn)行更換，更換時(shí)對(duì)其他的硅膠氣囊不會(huì)有任何影響?？梢詷O大地減少修理所需的時(shí)間與工作量。機(jī)器人的頭部結(jié)構(gòu)為帶有凸起的圓柱形圓筒，機(jī)器人頭部的凸起可以起到導(dǎo)向性的作用，保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)沿著同一方向前進(jìn)，不會(huì)發(fā)生過大的偏移。并且機(jī)器人的頭部可以按照需求搭載攝像頭，傳感器等設(shè)備，讓機(jī)器人有更好的實(shí)用性。蚯蚓仿生機(jī)器人的頭部如下圖所示圖2-62.5機(jī)器人的動(dòng)作原理本次設(shè)計(jì)的蚯蚓仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式為通過每節(jié)氣囊按照順序充氣放氣實(shí)現(xiàn)每節(jié)氣囊的順序伸縮，利用氣囊的順序伸縮實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體的向前運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)大致分為以下四步。運(yùn)動(dòng)開始前，蚯蚓仿生機(jī)器人處于初始狀態(tài)，三節(jié)氣囊全部都為收縮狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，蚯蚓仿生機(jī)器人首先開始第一步動(dòng)作，第一節(jié)氣囊充氣，氣囊伸長向前運(yùn)動(dòng)，蚯蚓仿生機(jī)器人的頭部會(huì)由于氣囊伸長被推動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣囊停止充氣時(shí)，氣囊不在伸長，機(jī)器人頭部也隨之停止運(yùn)動(dòng)。接下來進(jìn)行第二步動(dòng)作，第一節(jié)氣囊排氣收縮變短，同時(shí)第二節(jié)氣囊充氣伸長，此時(shí)由于第一節(jié)氣囊的收縮與第二節(jié)氣囊的伸長，一二節(jié)氣囊的連接處機(jī)體1便會(huì)在第一節(jié)氣囊的收縮前拉與第二節(jié)氣囊的伸長前推的共同作用下向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)谝还?jié)氣囊收縮到最小狀態(tài)時(shí)，第二步運(yùn)動(dòng)停止。第三步運(yùn)動(dòng)與第二步運(yùn)動(dòng)相似，第二節(jié)氣囊排氣收縮，第三節(jié)氣充氣囊伸長，利用二三節(jié)氣囊的收縮與伸長推動(dòng)二三節(jié)的連接處機(jī)體2向前移動(dòng)，當(dāng)?shù)诙?jié)氣囊排氣收縮到最小狀態(tài)時(shí)，第三步運(yùn)動(dòng)結(jié)束。第四步運(yùn)動(dòng)是第三步運(yùn)動(dòng)時(shí)伸長的第三節(jié)氣囊的排氣收縮，利用氣囊排氣收縮的拉力將蚯蚓仿生機(jī)器人的尾部向前拉動(dòng)，當(dāng)?shù)谌?jié)氣囊完全收縮時(shí)，第四步運(yùn)動(dòng)完成。在上訴四步運(yùn)動(dòng)過程中，為了保證每次運(yùn)動(dòng)都可以按照既定的方向運(yùn)動(dòng)，第一步將頭部推出，第二步機(jī)體1向前運(yùn)動(dòng)，第三步機(jī)體2向前運(yùn)動(dòng)，第四步尾部向前運(yùn)動(dòng)。對(duì)蚯蚓仿生機(jī)器人的頭部、機(jī)體1、機(jī)體2、尾部的重量比例進(jìn)行調(diào)控，本次機(jī)體重量比例為頭部：機(jī)體1：機(jī)體2：尾部，2：1：1：2。這樣在第一步運(yùn)動(dòng)時(shí)，后三節(jié)總重量大于頭部重量，在第一節(jié)氣囊伸長時(shí)，后三節(jié)會(huì)起到固定的作用，保證氣囊伸長時(shí)后部不會(huì)移動(dòng)，只會(huì)將頭部向前推出。在第二步時(shí)，頭部的重量與后兩節(jié)的重量大于機(jī)體1的重量，這樣，在第二步運(yùn)動(dòng)時(shí)，頭部和后兩節(jié)便會(huì)起到固定作用，在一二節(jié)氣囊收縮與伸長時(shí)，機(jī)體1便會(huì)由后部向頭部運(yùn)動(dòng)。機(jī)體2的運(yùn)動(dòng)機(jī)理與機(jī)體1相同，都是利用前部和后部的重量大于移動(dòng)機(jī)體的重量起到固定作用，保證機(jī)體2的向前移動(dòng)。在第四步時(shí)，由于前三節(jié)的重量大于尾部的重量，在氣囊排氣收縮時(shí)，前部會(huì)起到固定作用，氣囊收縮時(shí)會(huì)拉動(dòng)尾部向前移動(dòng)。經(jīng)由上述四步運(yùn)動(dòng)后，蚯蚓仿生機(jī)器人會(huì)整體向前移動(dòng)，不斷重復(fù)上述四個(gè)步驟即可實(shí)現(xiàn)蚯蚓仿生機(jī)器人的不斷向前移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)情況如下圖所示：圖2-8第三章機(jī)器人的制備3.1打印關(guān)鍵設(shè)備及材料本次蚯蚓仿生機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器為硅膠氣囊驅(qū)動(dòng)，對(duì)于硅膠氣囊的制作方法，一般為模具澆筑，本次制作所需的模具可以利用3D打印技術(shù)制作。3D打印技術(shù)又稱為增材制造，是快速成型技術(shù)的一種，是近幾年來備受關(guān)注的一種制造技術(shù)。3D打印技術(shù)可以在一個(gè)三維空間內(nèi)打印出我們所需要的各種模型。是一種十分方便的制造技術(shù)。本次制作所采用的打印機(jī)為啟迪3D打印機(jī)，打印的成型原理是熔融堆積。打印機(jī)的具體工作方式為：打印機(jī)的噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下沿X-Y-Z軸運(yùn)動(dòng)，并利用噴頭加熱材料，然后將其擠出，在通過噴頭在三維空間內(nèi)的不斷移動(dòng)將擠出的材料堆積出我們想要的模型。打印采用的材料為PLA，PLA打印出的模具具有良好的硬度，不容易斷裂，具有良好的成型效果。制作的氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器，需要具備良好的延展性、柔韌性。硅膠作為一種生活中很常見的物品，其延展性好、柔韌性好而且價(jià)格便宜，利用其制作氣囊的方法也十分簡單，容易操作，制作氣囊的材料選為硅膠，且硅膠在制作的過程中不會(huì)產(chǎn)生任何的有毒氣體等不良影響，所以硅膠是這次制作材料的不二之選。3.2制備過程制作硅膠氣囊，首先要制作模具，然后利用制作好的模具進(jìn)行澆筑得到想要的硅膠氣囊，最后再利用3D打印技術(shù)打印出合適的模型，將我們制作出的硅膠氣囊進(jìn)行密封。硅膠氣囊的具體制作步驟如下;利用建模軟件進(jìn)行建模，得到我們所需的模具模型。由于本次模具是利用3D打印技術(shù)進(jìn)行制作，所以本次使用的建模軟件為SolidWorks。利用SolidWorks軟件完成建模，需要將模型導(dǎo)出為STL格式，因?yàn)槟Ｐ娃D(zhuǎn)換為STL格式后才能導(dǎo)入到3D打印機(jī)中。將制作好的STL格式的模型導(dǎo)入到3D打印機(jī)中，模型導(dǎo)入完成后，需要進(jìn)行3D打印機(jī)的參數(shù)調(diào)試，打印開始前可以通過改變打印的填充密度和打印速度來縮短打印所需的時(shí)間，打印的時(shí)間與填充密度的關(guān)系是不確定的，時(shí)間可能隨打印密度的增加而減少也可能隨打印密度的增加而增加，可以通過改變打印密度將打印時(shí)間縮短為最少的打印時(shí)間，兩者的比例關(guān)系會(huì)根據(jù)打印的形狀的大小不斷改變。在本次打印的過程中，填充密度在40%時(shí)，打印所需的時(shí)間最短。在模具打印完成后，將打印好的各個(gè)模具組裝到一起即可得到所需的模具，接下來就可以進(jìn)行硅膠的填充澆筑。將準(zhǔn)備好的硅膠與固化劑以200:1的比例進(jìn)行混合，在混合過程要注意一定要充分的攪拌，均勻的混合固化劑和硅膠，在混合完成后，將硅膠倒入已經(jīng)準(zhǔn)備好的模具當(dāng)中。等待硅膠完全凝固后即可得到我們所需的硅膠模型。在正常溫度下，硅膠的凝固時(shí)間很長，可以通過加熱的方式來縮短所需的時(shí)間。制作完成硅膠模型后，從模具中取出的硅膠模型還是偏平狀，將得到的硅膠模型卷起兩端合攏，卷成一個(gè)圓筒型，再將兩端截面粘連到一起，得到一個(gè)圓筒形硅膠模型。緊接著利用3D打印出比硅膠圓筒兩端稍大的圓片，將筒的兩端空洞利用圓片蓋住并密封好。這樣，便可以得到一個(gè)密封的圓柱筒，再將兩端圓片的其中一片開出一個(gè)通氣孔，并將通氣孔與氣管密封好。經(jīng)過上述步驟的操作后，可以得到一個(gè)密封性良好的可伸縮硅膠氣囊，制作出的硅膠氣囊是蚯蚓仿生機(jī)器人的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。制作過程如下圖：圖3-1第四章軟體機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究4.1蚯蚓仿生機(jī)器人的移動(dòng)性能試驗(yàn)本次設(shè)計(jì)的蚯蚓仿生機(jī)器人需要具備移動(dòng)功能，為了判斷機(jī)器人是否能達(dá)到預(yù)期要求。需要對(duì)蚯蚓仿生機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)性能測試，首先對(duì)機(jī)器人的氣體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)，先對(duì)每個(gè)硅膠氣囊進(jìn)行充氣排氣，測試每個(gè)驅(qū)動(dòng)器是否可以完成伸長與收縮，經(jīng)過充氣排氣后，各個(gè)硅膠氣囊均可以完成伸縮。氣體驅(qū)動(dòng)器達(dá)到預(yù)期要求。緊接著，對(duì)整個(gè)蚯蚓仿生機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)試驗(yàn)，按照前文所描述的方法對(duì)蚯蚓仿生機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行充氣放氣，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)，在進(jìn)行一整個(gè)充氣放氣過程后，蚯蚓仿生機(jī)器人可以向前移動(dòng)一段距離，在不斷地循環(huán)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后，蚯蚓仿生機(jī)器人可以不斷地緩慢向前移動(dòng)。蚯蚓仿生機(jī)器人的移動(dòng)性能達(dá)到預(yù)期要求。4.2蚯蚓仿生機(jī)器人的適應(yīng)性測試本次設(shè)計(jì)的蚯蚓仿生機(jī)器人，需要有一定的對(duì)于不同地形的適應(yīng)能力，為了測試機(jī)器人的適應(yīng)性，分別在瓷磚，柏油路面，普通土路上對(duì)蚯蚓仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行測試，測試蚯蚓仿生機(jī)器人在不同地形的運(yùn)動(dòng)情況，試驗(yàn)其能否在不同的環(huán)境下都可以完成工作。經(jīng)過我們的測試，本次所制作的蚯蚓仿生機(jī)器人在不同的環(huán)境下都可以完成我們預(yù)期的向前移動(dòng)，所以我們本次設(shè)計(jì)的蚯蚓仿生機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性達(dá)到了我們的預(yù)期要求。第五章總結(jié)本文設(shè)計(jì)了一種蚯蚓仿生機(jī)器人，通過設(shè)計(jì)模具、模具澆筑完成了對(duì)機(jī)器人氣體驅(qū)動(dòng)器的制作，然后再利用3D打印技術(shù)對(duì)機(jī)器人的其他部件進(jìn)行打印制作。最后進(jìn)行組裝，完成機(jī)器人的制作。在機(jī)器人制作完成后進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)，在不同的地形上進(jìn)行移動(dòng)測試。本次取得的主要成果如下：（1）經(jīng)過對(duì)比選取了合適的軟體驅(qū)動(dòng)器，對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，對(duì)制作軟體驅(qū)動(dòng)器的模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作，利用3D打印技術(shù)制作了所需的模具與機(jī)器人的部件。（2）對(duì)軟體驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行了分析與說明。（3）對(duì)蚯蚓仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式與運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了分析與說明。（4）對(duì)機(jī)器人的適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)，證明其有良好的適應(yīng)性。

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