考虑多物理场耦合的气动式软体结构多体系统动力学建模理论研究

Soft robot is a kind of new continuous biomimetic robots with high safety and and good environment compatibility. Compared with the conventional rigid robot, the soft robot has larger deformation and more complicated material property. The nonlinear problems due to the coupling among the rigid-body motion, elastic deformation and the gas motion, as well as the surface contact and friction should be taken into account. Based on nonlinear strain and displacement relationship and nonlinear constitutive equation, the descretized dynamic model for soft body made of silica gel with inner space is established by using combined absolute nodal coordinate solid-plate elements. Considering the large deformation of the boundary surface and the compatibility condition of the coupling interface, the finite element descretized dynamic model for coercible gas is established based on the moving mesh technique, in which the rigid-flexible-gas coupling is taken into account. Furthermore, for the surface-surface contacts among the soft body and the ground, the normal contact model and tangential frictional model considering the slip-stick phenomenon are established. Numerical algorithm for solving algebraic-differential equations for multiple physics coupling system is investigated. Under the same computing platform, the real time simulation for rigid-flexible-gas coupling is carried out. Experiment of a pneumatic soft body is carried out by using new 3D-DIC digital image correlation measurement technology to verify the correctness of the dynamic formulation. Finally, dynamic model for pheumatic soft robot multibody system is established and software is developed for dynamic analysis of soft robot multibody system.

气动式软体机器人是一种新型连续体仿生机器人，具有安全性好、运动灵活等优点。与传统的机器人相比，此类柔软多体系统弹性变形更大，材料力学性能更复杂，需要考虑刚体运动，弹性变形和气体运动的耦合，以及面接触和摩擦等非线性问题。从非线性应变和位移关系和非线性本构关系出发，提出新的分区域离散方法，用绝对坐标实体-板混合单元建立带有气腔的硅胶软体结构有限元离散的动力学模型。考虑气腔壁的大变形和耦合界面的协调条件，利用移动网格技术建立较高精度的可压缩气体有限元离散的动力学模型。针对软体结构的面接触问题，建立法向碰撞模型和考虑粘滞-滑移切换的切向摩擦模型。探索刚-柔-气多物理场耦合的数值算法，在同一个计算平台下实现实时仿真。利用新的非接触式3D-DIC数字图像测量技术开展气动软体结构动力学实验验证建模理论准确性，最后建立软体机器人多体系统动力学模型并研发动力学分析软件解决工程问题。

气动式软体机器人是一种新型连续体仿生机器人，具有安全性好、运动灵活等优点。与传统机器人相比，软体机器人弹性变形更大，材料力学性能更复杂，需要考虑刚体运动，弹性变形和气体运动的耦合，以及面接触和摩擦等非线性问题。. 本项目首先考虑几何非线性，从非线性材料本构关系出发，提出了超弹性材料硅胶梁和板结构的绝对节点坐标描述的高阶单元模型，与低阶单元模型相比，该模型具有较高的计算精度，通过悬臂梁和悬臂板的动力学实验验证了理论模型的准确性。然后针对具有复杂形状的多气腔软体结构，建立了绝对节点坐标描述的实体单元模型，利用缩减积分方法，有效避免体积锁定。考虑气腔壁的大变形，利用有限体积法建立了可压缩气体的动力学模型，在此基础上建立多气腔软体结构的刚-柔-气多物理场耦合的动力学模型。. 针对软体结构的面接触问题，利用最近投影点方法局部检测接触点，采用罚函数法计算法向接触力，并提出了同时考虑点-面、边-面和面-面接触的混合单元模型，有效避免接触面之间的穿透。针对软体结构的摩擦问题，提出了一个新的切向摩擦接触模型，能够考虑粘滞与滑动摩擦状态的切换。切向摩擦的本构关系采用罚函数规则化的Coulomb 摩擦定律，当前步的真实切向力阵通过预估和返回映射的方式确定，并实现了粘滞与滑动摩擦状态的切换。提出了在物体坐标系下计算流动坐标的方法，有效解决了大滑移情况下的跨单元边界不连续问题。. 建立了考虑多区域接触与摩擦的多气腔软体机器人动力学模型，给出变步长隐式算法实现了同一个计算平台下刚-柔-气多物理场耦合实时仿真。利用新的非接触式3D-DIC数字图像测量技术开展气动软体结构动力学实验验证建模理论准确性。分析了机器人von Mises应力分布情况，发现气腔接触和根部连接区域为应力集中区域。在此基础上开发了软体结构多体系统动力学分析软件。本项目建立的动力学模型为软体机器人的优化设计提供了理论依据，具有潜在的工程应用价值。