基于骨架的气动软体仿人手指设计与仿真分析

针对现有的软体机械手手指存在弯曲形态单一、运动范围小等缺点,设计了一款基于骨架的气动软体仿人手指。该手指由3个弯曲驱动器和2个伸长驱动器的交叉组合而成,既能通过弯曲驱动器灵活地实现复杂弯曲动作,又能通过伸长驱动器控制运动范围。文中通过对基于骨架的气动软体仿人手指结构进行设计,使用Abaqus仿真软件对弯曲驱动器和伸长驱动器进行有限元仿真分析,得到2种软体驱动器在不同参数下的气压-位移变化曲线。根据仿真结果可以得到最佳结构参数,同时说明该软体仿人手指的设计具有可行性。     

多功能软体机械手的设计与建模

设计了一款新颖的多功能软体机械手,其由两个软体手指和一个软体手腕集成一体。软体手指由四个并联的双向弯曲气动软体驱动器组成;软体手腕主要由一个双轴双向弯曲气动软体驱动器构成,软体手指、软体手腕协同动作,可以实现软体机械手的多方位、多任务操作。根据软体机械手所需运动范围和抓取力确定了软体机械手的尺寸参数。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了上述两个双向弯曲软体驱动器的欧拉梁弯曲模型和悬臂梁弯曲模型,获得了双向弯曲软体驱动器弯曲曲率、弯曲力矩和充气气压三者之间的解析表达式,以及双向弯曲软体驱动器受到载荷时的弯曲变形曲线,通过双向弯曲软体驱动器的自由弯曲试验和弯曲变形试验验证了上述模型的正确性。通过软体机械手的闭合抓取试验和张开提起试验说明了软体机械手的实用性。     

气动网格软体驱动器弯曲变形预测方法

气动软体驱动器作为软体机器人的关键构成单元,在气压作用下可以实现弯曲运动,但目前缺乏合适的方法来研究驱动器的弯曲变形。针对该问题,在分析气动网格软体驱动器弯曲变形原理的基础上,建立了驱动器单个气囊弯曲角度的数学模型并对其弯曲特性进行了分析,进一步建立了单腔室驱动器和多腔室驱动器的弯曲变形预测模型,通过有限元仿真和实物实验验证了弯曲变形预测模型的有效性。     

基于主应力线的软体气动弯曲驱动器设计

软体驱动器是软体机器人的重要组成部分。针对传统的设计方法难以设计具有特定功能的软体驱动器问题,提出一种基于主应力线的软体驱动器的设计方法,可以实现基于目标功能的设计。该方法基于给定的目标功能参数,通过预仿真计算主应力线方向,并沿着主应力线方向环绕气动腔室生成框架约束结构。最后,使用启发式的方法调节框架约束结构的材质参数以及腔室的气动压力。基于该软体驱动器设计了软体气动抓手,并进行了抓取实验,验证了所提设计方法的有效性。     

仿生章鱼爪气动螺旋软体驱动器仿真及实验

由弹性材料制成的气动多腔室型软体驱动器可以通过简单的控制产生复杂的运动。提出并设计了0°PN和60°PN两种多腔室仿生章鱼爪软体驱动器。0°PN软体驱动器能够进行二维弯曲运动,60°PN软体驱动器在0°PN的结构基础上更改腔室角度,能够实现三维空间的弯曲和扭转,形成螺旋结构。使用Abaqus软件对软体驱动器进行有限元分析,得到两种软体驱动器的气压-位移变化曲线、气压-末端输出力变化曲线。利用模具浇铸法制作0°PN和60°PN软体驱动器,并开展两种软体驱动器在不同气压下的弯曲试验和末端输出力的测量试验,实验与仿真结果一致,结果表明60°PN软体驱动器的气压承载能力提高1.5倍,末端输出力提高1.8倍。     

可控三维运动的软体驱动器仿真与试验

介绍一种多自由度,可以在空间内任意运动的三维软材料仿生驱动器。利用有限元分析软件对三维软体驱动器进行了设计优化,针对驱动器制作材料以及气腔截面形状、腔道壁厚进行了有限元仿真分析。通过软体驱动器结构仿真分析,结果表明半圆形腔道软体驱动器能提供更高的变形气压和刚度,而环形腔道则能给软体驱动器带来较低的变形气压和柔性。三维软体驱动器使用较高硬度材料、半圆形腔道能够在给定气压下获得更大的刚性及输出力;低硬度材料、较小壁厚的环形腔道能够在给定气压下获取更好的柔性和灵活性。根据仿真优化结论,制造出在低气压下灵活运动并具有一定载荷能力的软体驱动器模块。为测试软体驱动器模块的性能,设计一系列运动学以及力学试验,包括软体驱动器在气压下的弯曲试验、气压与软体驱动器输出力与刚度的测量试验。最后,通过试验展示了软体臂三维运动以及抓持不同物体的性能。     

一种通用型负压软体机械手的设计与分析

由柔性材料制成的软体机械手不仅可以提高人机交互的安全性,而且对抓取对象也有一定的保护作用。设计了一种基于低成本3D打印技术的通用型负压软体机械手,该机械手主要由软体驱动器、手指和吸盘组成。软体驱动器提供动力,手指和吸盘用于抓取,且手指和吸盘既能独立又能组合工作。软体驱动器采用波纹管结构,并通过有限元仿真分析了不同结构参数对其收缩性能的影响。经过实验测试,在-0.05 MPa气压下,软体驱动器最大末端驱动力为22.53 N,最大收缩量为36.72 mm,软体机械手最大指尖力为4.86 N。实物抓取试验结果表明,该机械手能够抓取0～300 g范围内不同大小、形状和纹理的物体。     

气撑式软体末端执行器的设计与分析

针对目前多指型软体末端执行器难以平稳夹持不同口径容器的问题,开展了一种能够从内部支撑夹持的气撑式软体末端执行器的设计与分析,提出一种新的夹持方式。首先设计气撑式软体末端执行器的结构,由软体驱动器和连接装置构成;其次基于Yeoh模型、虚功原理和软体驱动器结构建立驱动气压与软体驱动器膨胀变形的非线性数学模型;然后开展软体末端执行器膨胀变形的Abaqus软件仿真及实验,将理论模型和仿真、实验结果进行对比,结果验证理论模型的正确性;最后进行气撑式软体末端执行器的夹持实验,结果表明,所提出的气撑式末端执行器能够很好地抓取不同口径的容器。     

软体气动驱动器弯曲变形光纤传感与形状重构

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题,提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置,实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征,得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系,计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值,重构出软体气动驱动器的变形形状,验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明:将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层,利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感,3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1%。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。     

三维气动软体驱动器弯曲建模与分析

为设计弯曲性能优越的三维气动软体驱动器,针对单腔通气时驱动器的弯曲变形机理,展开了弯曲特性的研究。首先基于Yeoh模型的能量密度分布函数,结合驱动器弯曲时的静力平衡方程,建立驱动气压与驱动器弯曲角度变形的非线性数学模型;其次,通过数学模型分析气腔半径、中心圆半径以及壁厚对弯曲的影响,并通过建立单目标多约束优化模型寻找最优尺寸组合;然后通过有限元仿真,进一步研究两腔通气时驱动器弯曲角、偏转角与末端点坐标的变化规律。最后通过对比理论模型、有限元仿真、样机试验的数据。结果表明:在60kPa气压的范围内,理论结果、仿真结果与试验结果的表明上述分析参数对弯曲影响的趋势保持一致,从而验证了理论模型的正确性。上述研究为设计气动软体弯曲驱动器提供了可靠的理论基础。     

一种通用型气动软体夹持器的设计与分析

由柔性材料制成的末端软体夹持器依靠结构本身的弹性变形实现对物体的无损抓持,具有自由度高、适应性强的特性,在非结构化环境中具有广阔的应用前景。目前,多数软体夹持器功能单一,适应性差,难以实现对各种形状、尺寸物体的通用抓取。为解决这一问题,通过分析形状尺寸各异物体对软体夹持器结构及性能的要求,结合现有夹持器的优点,设计出一种中间部位能抓取体积较大目标、尖端部位可精确夹持细微物体的通用型气动软体夹持器。基于Yeoh模型建立夹持器变形角度与压力关系数学模型,使用ABAQUS软件对其进行正压和负压仿真,分析出夹持器的弯曲变形情况,得到其极限气压。通过实物的变形实验,得到仿真结果和实验结果相对误差为9.10%,验证了仿真的有效性和变形角度与压力关系数学模型的准确性。     

双作用气动软体驱动器的设计与分析

为模仿环节动物的纵肌与环肌功能，实现驱动器径向运动和轴向运动的拮抗作用，设计了一种双腔体双作用的气动软体驱动器。该软体驱动器由可实现轴向伸长运动的内腔轴向驱动器和可实现径向膨胀变形的外腔径向驱动器组成。为提高性能，软体驱动器外部结构采用了折叠方式，并通过有限元仿真分析了不同折叠参数对性能的影响。经实验测试，在0.03 MPa的通气压力下，六折叠结构软体驱动器最大轴向伸长率可达到24.2%，实现了对环节动物纵肌与环肌功能的模仿。     

仿鳐式软体驱动器弯曲预测方法的研究

相对于传统的刚性机器人,由硅胶等柔性材料制造的软体机器人在结构上具有自由度高且能够进行连续形变的特点。目前,多数软体驱动器的气腔形状为等截面形态,而对于变截面软体驱动器的研究却少有涉及。为了解决这一问题,从鳐鱼的运动受到启发,设计了一款气腔截面纵向变换仿鳐式软体驱动器。驱动器限制层设计为不可压缩的薄层,结合应变能密度等理论,提出一种预测驱动器的弯曲变形角度的方法。通过3D打印技术制作模具,浇注模型,制作出仿鳐式软体驱动器。通过理论分析、有限元仿真、实验对比验证其数学模型,绘制仿鳐式软体驱动器在0.02～0.07 MPa气压下的中心线轨迹,分析输入气压与末端输出力的关系,验证了驱动器的理论分析、有限元仿真与实验结果在一定的误差下基本一致。其预测方法表现良好,为进一步研究仿鳐式软体驱动器在空间形变提供理论方法。     

大负载气动软体末端执行器的设计与分析

软体末端执行器是软体机器人领域最具有发展潜力的研究方向之一,但由于软体材料本身的固有性质以及设计与制造技术手段的限制,其普遍存在负载能力低的不足,这也成为了软体末端向多领域拓展所必须解决的难题。基于纤维增强型软体驱动器及其布局优化方法,提出了一种大负载气动软体末端执行器,在结构上采用了单根气动人工肌肉缠绕布局的新型抓持体构造方法,在抓取原理上采用了封闭内腔收缩包裹的方式,在控制上通过充气和放气两个开关动作便可实现目标的抓取和释放。其融合了大力型软体驱动器与封闭结构的双重特性,充分发挥了编织网型气动人工肌肉收缩力大和软体封闭保持体受力稳定性好的优点,大幅度提升了气动软体执行器的抓取力。试验证明所提出的大负载软体末端能够自动适应不同形状和材料的物体,负载能力可达到30 kg,是其自重的40多倍。研究成果为大负载软体末端的研制提供了新思路、新方法,有望从实验室进入实际应用领域。     

一种仿生软体驱动器的设计与弯曲建模研究

针对软体驱动运动学建模的问题,对软体驱动器两气压驱腔耦合驱动、内嵌约束弹簧和施加气压状态下的弯曲运动等方面进行了研究,提出了一种新型的仿生软体驱动器结构,实现在单个方向内前后大角度的弯曲。利用驱动器变形后的几何分析以及力矩平衡方程,建立了软体驱动器的静态模型和主动弯曲数学模型,建立了驱动器输入气压与弯曲角度和弯曲半径二者之间的映射关系;提出了一种电、气联合控制,且基于SMC气压比例阀的实验系统,对软体驱动器进行了输入气压发生弯曲的实验。研究结果表明:在0. 18 MPa的气压范围内,实验结果数据与理论数据基本一致,验证了理论模型的正确性。     

基于质子交换膜的气动软体驱动器的自密封结构

对于现有的基于质子交换膜的气动软体驱动器,其密封结构是通过软体结构与质子交换膜直接粘接形成的,承受的工作压力较低,从而限制了软体驱动器的性能。为提高基于质子交换膜的气动软体驱动器的工作压力,设计一种利用气动软体驱动器的气腔内压实现密封的自密封结构。通过有限元分析法,分析自密封结构的密封特性以及关键结构参数如斜面倾角、密封圈结构顶面宽度及气腔内侧壁厚度对密封性能的影响。结果发现：增大密封圈结构斜面倾角和顶面宽度,以及降低气腔内侧壁厚度,均能提高自密封结构的密封能力;相较于斜面倾角和气腔内侧壁厚度,改变密封圈顶面宽度能够更显著提高自密封结构的密封能力。结合有限元仿真分析的结果,通过实验测试自密封结构的密封性能。结果表明：采用该自密封结构的基于质子交换膜的气动软体驱动器工作压力更高,变形能力和负载能力更强;而且自密封结构通过密封失效能够对软体驱动器的结构起到过压保护作用。     

一种内骨骼软体手的抓取策略研究

根据混流柔性生产对机械手提出的对不同形状、不同质量且易损伤物体进行安全可靠抓取的需求,提出了一种新型的驱动与承力功能分解的关节式内骨骼气动软体机械手的设计思想,并完成了软体手的具体结构设计。针对软体手的抓取控制策略问题,提出了一种基于实时位置检测的压力补偿算法。通过嵌入手指中的柔性弯曲传感器,实时监测手指各指段位置,间接判定软体手当前抓取状态。估算了手指各指段的初始预加载气压值,提高了抓取成功率与抓取效率。对软体手进行了实物抓取试验,结果表明,软体手可以对柔软、不规则、易损易碎物体进行安全可靠抓取,验证了抓取控制算法的有效性。     

一种软体仿金枪鱼机器人方案设计及分析

针对海上搜救和海上勘探的需求,设计一种气动变腔驱动器软体机器人模拟金枪鱼推进运动,可有效增加推进效率、减少能耗。本文研究金枪鱼尾部的推进机理,通过UG完成了软体仿金枪鱼机器人的尾部、前身及平衡鳍结构进行设计,对结构进行分析,简化尾部的力学模型,基于Yeoh本构模型在ANSYS中对尾部软体驱动器和软体仿金枪鱼机器人模型进行仿真分析。仿真结果验证了软体仿生金枪鱼机器人柔性驱动器满足弯曲变形需要,整体结构符合水动力特性。为后续软体仿生金枪鱼机器人的控制工作做好理论基础。     

多腔体软体驱动器负载抓持变形特性研究

为揭示工作压力与负载的作用对多腔体软体驱动器变形的影响规律，建立了多腔体软体驱动器变形评价指标，包括末端轨迹、末端接触力、曲率半径和腔体拟合圆直径4个指标。基于不同负载和工作压力下的试验结果，采用拟合的方法建立了多腔体软体驱动器曲率半径与工作压力、负载的关系模型，并采用该模型对不同负载下的驱动器曲率半径变化曲线进行预测。分析结果表明，曲率半径拟合数学模型试算结果与试验结果吻合度较高。负载的增大使多腔体软体驱动器的末端轨迹变化范围明显减小、线性度增加；曲率半径随工作压力的增加呈指数下降的趋势，曲率半径和末端轨迹受负载作用的非线性都较强；工作压力和负载对腔体拟合圆直径的影响呈相反的趋势。该研究能为不同用途下多腔体软体驱动器的设计与精确控制提供参考。     

一种刚柔结合柔性夹持器的设计

为解决传统刚性夹持器适应性差和软体夹持器夹持范围较小的问题,提出了一种刚柔结合柔性夹持器的设计方案,其中刚性的曲柄滑块机构采用铝合金材料制作,柔性的气动软体驱动器则由乳胶气囊以及纤维布两部分组成。通过滑块平移带动夹爪转动,实现夹爪张开和闭合,再通过调整供气气压控制夹持范围。基于ADAMS软件对刚性机构进行运动学分析,再仿真并结合实验,研究气动软体驱动器的动态特性,确定其最佳尺寸。最后,对样机进行实验测试,实验结果表明,设计的夹持器自适应性好、夹持范围较大。