流体压力驱动多材料柔顺机构的拓扑优化

由气动载荷驱动的柔顺机构因其作为利用柔性身体执行任务的软体机器人的直接适用性而受到越来越多的关注。使用多种材料构建它们可进一步提高其性能和效率。由于增材制造的发展，多材料软体机器人的制造正成为现实可能。为利用这一机会，需要一种专用的设计方法。本文提供了一种使用拓扑优化开发此类机构的系统方法。采用扩展 SIMP 方案进行多材料建模。压力载荷的设计依赖性通过使用带体积排水项的达西定律建模。每个单元的流动系数使用平滑 Heaviside 函数插值。所获得的压力场被转换为一致节点载荷。采用伴随变量法确定灵敏度。采用了一种鲁棒公式，其中使用腐蚀设计和蓝图设计的输出位移构建极小极大优化问题。体积约束应用于蓝图设计，而应变能约束针对腐蚀设计制定。通过设计气动驱动的多材料夹持器和收缩机构证明了该方法的有效性和成功。数值研究证实，多材料机构比单材料对应机构表现相对更好。