摘要
随着社会生产技术水平的不断发展，人们对机器结构有了更高的要求。机器结构逐渐向微型、轻量、集成方向发展，例如由柔性驱动器来驱动刚性构件的刚软耦合机构。该机构与传统的刚性机构相比，具有高柔顺性、高功率密度比等优势，拥有较为优秀的应用前景。近年来，特别是随着介电弹性体和气动人工肌肉等各种新型柔性材料的出现，刚软耦合机构的应用范围越来越广。与其他柔性材料相比，介电弹性体具有大应变、重量轻、高能量密度和快速响应的特点。它已被广泛应用于航空航天、机器人和生物医学等行业。 受人体肌肉骨骼系统的启发，仿照生物髋关节处肌肉与骨骼的分布方式，本文提出了一种由介电弹性体驱动的三自由度刚软耦合髋关节的构型。该刚软耦合仿生髋关节具有高仿生性、结构紧凑、轻量化等特点，本文的主要研究内容如下： 首先，建立了纤维约束介电弹性体驱动器的力电耦合模型。选取了合适的弹性体材料作为后续实验对象，并分析了驱动器潜在的失效形式。 其次，为了获得变形性能更好的介电弹性体驱动器，利用 ABAQUS有限元分析软件对纤维约束介电弹性体驱动器的变形过程进行了仿真分析。设计并制造了纤维约束介电弹性体驱动器，并对其变形性能进行了实验测试。对影响驱动器变形性能的材料参数（预拉伸比率、约束纤维直径、恒定负载大小、堆叠层数）进行了分组实验测试，得到了最佳的材料参数组合，为后续的仿生髋关节实验奠定了基础。 接着，建立了从人类髋关节肌肉骨骼系统到仿生髋关节机构的类比关系，将股骨与髋骨之间的连接关系类比为球副关节，将肌肉类比为软驱动分支，将骨骼类比为刚性构件。基于这些类比关系，设计了一种基于介电弹性体的三自由度刚软耦合仿生髋关节的构型。该构型包括六个软驱动分支以及一个被动刚性支链，为了获得轻量化和大工作空间/体积比等特性，本文设计的软驱动分支中不包含刚性关节。通过控制为不同的软驱动分支施加电压，可以实现三自由度的旋转。建立了仿生髋关节分别在偏转和扭转情况下施加电压的大小与旋转角度之间的理论映射模型。分析了在实验过程中可能会出现的被动运动，如被动弯曲、被动扭转对仿生髋关节运动性能的影响。建立了仿生髋关节的运动学模型。 最后，建立了仿生髋关节的三维模型，搭建了仿生髋关节的实验平台。测试了刚软耦合仿生髋关节的运动性能。分析了实验结果与理论预测曲线产生偏差的原因，并提出了改善仿生髋关节运动性能的方法。
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