基于内嵌型光学弯曲传感器的软体手感知

软体仿人手的感知能力是实现友好交互和灵巧操作的重要条件.柔性的光学弯曲传感器由发光二极管(light emitting diode,LED)、光导纤维和光敏传感器组成,易嵌于软体手指内.经粗糙化的光导纤维可产生光线溢出,通过测量光能损耗量可获得软体手指的弯曲度;利用归一化标定软体手指初始(伸直)和最大弯曲状态的采样电压值,对归一化后的电压值进行均匀、非均匀和滞环分段,并融合5指弯曲信息实现连续运动检测、动作姿态和物体大小识别.实验结果表明,光学弯曲传感器可检测连续正弦运动状态;正确识别多种手势和抓握姿态;也可识别物体大小,结合滞环分段方法,解决单点分类切换存在振荡不足的问题,提高识别率.这种光学式柔性弯曲传感器具有电磁免疫、易于内嵌的优势,在软体手和软体执行器中具有重要应用价值.     

网络式气动软体驱动器设计、制造与实验

采用硅胶材料设计了一种网络式气动软体驱动器,软体驱动器在通气条件下可实现弯曲变形。设计了驱动器模具,并制作了驱动器样机,进行了驱动器静力学实验与有限元仿真。结果表明：软体驱动器具有较好的柔性和灵活性,最大弯曲角度可达到323°。该研究为软体驱动器的进一步应用奠定了基础。     

一种用于康复机器人手指的软体致动器设计

针对手部运动功能障碍的患者康复问题,设计一种用于可穿戴式康复机器人手指的软体致动器。该软体致动器由具集成通道的弹性材料制成,内部为密集分布的三角形非充气腔室和菱形充气腔室,两种不同功能的腔室间隔分布,且充气腔室之间有通道连接。对于该软体致动器设计,首先在ABAQUS中进行变形仿真分析,验证其可行性;然后,采用3D打印技术等制作软体致动器实物并在搭建的实验平台上进行实验。结果表明,设计的软体致动器整体结构合理,可较好地实现手指0～90°弯曲运动,弯曲角度通过气压进行调节,能够满足手指关节运动及韧带拉伸的康复训练需求。     

气动软体驱动器的设计

根据人手指外骨骼关节结构,提出硅胶多腔体仿人柔性关节,设计了一种用于手部康复机器人的气动软体驱动器,详细阐述了驱动器的制作流程。采用Abaqus软件对软体驱动器进行有限元仿真,给出不同气压下的仿真图形。仿真结果表明,提出的软体驱动器的理论模型与实验数据基本吻合,相对于其他结构,整体的稳定性,抓取能力更强,为以后仿人柔性机械手的应用提供了支撑。     

软体弯曲驱动器设计与建模分析

设计一种新型软体驱动器,对其结构和弯曲原理进行了分析,利用Yeoh模型建立了适用于该类型软体驱动器的数学模型。使用Solidworks软件建立模型,并将其导入Abaqus CAE软件中进行弯曲变形仿真分析。制作了软体驱动器,并对其弯曲变形进行了实验测试。新型软体弯曲驱动器结构的理论分析、有限元仿真计算和实际实验结果较为一致,获得的弯曲角度与内部气压的关系数据可为软体驱动器的控制设计提供依据。     

颗粒驱动软体驱动器设计及FEM-DEM运动分析

颗粒物质具有流动传压和阻塞刚化的双相特性,是变刚度软体机器人的理想驱动介质.由于颗粒物质复杂的力学特性,颗粒驱动软体机器人运动预测极具挑战性.综合考虑颗粒物质的离散性和超弹软体型腔的连续性,本文提出了一种基于FEM-DEM耦合计算的软体驱动器运动分析方法.为降低颗粒充入软体型腔时的局部径向膨胀,设计了具有径向增强约束的弯曲驱动器软体型腔结构.利用FEM-DEM耦合计算方法对此驱动器的运动变形规律进行了分析,同时采用基于颗粒物质Mohr-Coulomb连续介质模型的FEM开展了对比计算.利用3D打印和硅胶浇注技术制造驱动器样机,测试了软体驱动器的运动特性及变刚度能力.研究结果表明:与基于Mohr-Coulomb模型的FEM相比,利用FEM-DEM耦合计算方法,可使驱动器弯曲角度的预测精度提高约14.3%;使用较小直径的颗粒介质可以提高机器人的变形能力;与前期研究中的原始方案相比,本文提出的径向增强约束驱动器在不削弱刚度调节能力的前提下,最大弯曲角度从48.9°提升至了72.7°.     

基于水压直驱的软体单元的动静态特性

提出水压直驱纤维增强软体单元,采用伺服电机驱动水压缸实现软体运动控制,搭建试验台开展软体单元动静态特性研究. 针对软体单元输出力、径向膨胀、弯曲角度及刚度等性能开展静态试验. 结果表明,软体单元驱动压力为影响输出力和弯曲角度的主要因素;当输入压力增加时,软体最大径向膨胀速率为3%;当输入压力为0.3 MPa、末端位移为4 mm时,水压驱动输出力为4.3 N,与气压驱动相比,软体刚度增加0.025 N/mm. 建立水压直驱软体单元动力学模型,围绕软体单元弯曲角度、压力响应进行仿真分析及试验验证. 结果表明,水压直驱软体单元模型仿真与实测结果较吻合,弯曲角度稳定误差为1.70%,驱动水压稳定误差为0.33%. 研究成果表明采用水液压驱动软体机器人可提高其性能.     

基于CA灌浆材料的半柔性路面低温性能

为了解决半柔性路面(semi-flexible pavement,SFP)材料低温性能不良的问题,以-10℃弯曲破坏应变为低温性能评价指标,对比研究了AC-13、AC-20普通沥青混合料以及4种级配的半柔性路面材料的低温性能;分析了普通水泥灌浆材料以及阴离子、阳离子水泥沥青(cement asphalt,CA)灌浆材料的半柔性路面低温性能,研究了CA灌浆材料对半柔性路面低温性能的改善作用.结果表明:4种半柔性路面材料-10℃弯曲破坏应变范围为1 050.16×10~(-6)~1 947.57×10~(-6),显著小于普通沥青混合料-10℃弯曲破坏应变值,且不满足现行规范对路面低温性能的技术要求;采用阳离子CA灌浆材料的半柔性路面-10℃弯曲破坏应变为3 159.26×10~(-6),阳离子CA灌浆材料可显著提高半柔性路面材料低温性能,而阴离子CA灌浆材料对半柔性路面材料的低温性能改善作用不显著.研究结论为半柔性路面的研究及技术推广提供了试验基础.     

集成化智能软体机器人研究进展

从驱动方式、材料与制造、运动方式、传感与控制方面对集成化智能软体机器人进行综述,讨论集成化软体机器人与新型柔性传感器、机器学习之间相辅相成的关系,分析在驱动方式、建模与控制方面存在的问题. 根据驱动方式的不同,可以将集成化智能软体机器人分为流体驱动、智能材料驱动和化学反应驱动,能量来源决定软体机器人的集成方式和运动能力,而驱动方式的选用多是以仿生灵感为指导原则. 柔性传感器和机器学习作为软体机器人提高运动能力、优化控制方式的可靠工具,将推动智能软体机器人进入实际应用阶段. 实现可控和可预测自主运动能力的集成化智能软体机器人是软体机器人未来的发展方向,在运动方式上模仿动物的灵活姿态,在未知环境勘探领域有广阔应用前景.     

伸长型气动柔性驱动器设计与实验

设计了一种以压缩气体为动力源的伸长型“刚-柔耦合”气动柔性驱动器,驱动器采用内外嵌套结构,内部为弹性气囊,外部为约束弹簧,能有效提高驱动器刚度。为研究不同刚度的约束弹簧对气动柔性驱动器静力学性能的影响,采用实验方法研究了不同弹簧丝直径的驱动器轴向伸长变形、驱动力与工作气压的关系。实验结果表明：驱动器伸长量随工作气压的增大呈非线性增加,在相同工作气压下,约束弹簧丝直径与驱动器伸长量呈负相关;伸长量为零时,驱动器具有的轴向驱动能力最大,不同刚度驱动器驱动力最大驱动力相同,与工作气压呈正相关。本研究为伸长型气动柔性驱动器在软体机器人的进一步应用提供可行方案。     

Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator(FPA),bending joint and side-sway joint,a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed.The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders.Mechanical parts and FPAs are integrated,which reduces the overall size of the finger.Driven by FPA directly,the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced.An improved adaptive genetic algorithm(IAGA) was adopted to s...     

Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator (FPA), bending joint and side-sway joint, a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed. The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders. Mechanical parts and FPAs are integrated, which reduces the overall size of the finger. Driven by FPA directly, the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced. An improved adaptive genetic algorithm (IAGA) was adopted to solve the inverse kinematics problem of the redundant finger. The statics of the finger was analyzed and the relation between fingertip force and joint torque was built. Finally, the finger force/position control principle was introduced. Tracking experiments of fingertip force/position were carried out. The experimental results show that the fingertip position tracking error is within ±1 mm and the fingertip force tracking error is within ±0.4 N. It is also concluded from the theoretical and experimental results that the finger can be controlled and it has a good application prospect.     

基于Bouc-Wen修正模型的柔性关节驱动器迟滞建模

为了研究柔性关节驱动器输出力的迟滞影响,提高力控制精度,构建了柔性关节驱动力的迟滞实验台,提出柔性关节驱动器输出力的Bouc-Wen修正方法对力迟滞进行精确建模,并通过龙格-库塔-费尔贝格算法对Bouc-Wen修正模型进行参数辨识. 在Bouc-Wen模型的基础上,引入具有方向性的修正项,克服柔性关节驱动器的输出力-转角迟滞的非对称性. 利用关节驱动器在60、80、100、120 kPa充气压力下的力迟滞实验数据,建立Bouc-Wen修正模型. 在70、90、110 kPa充气压力下,将Bouc-Wen修正模型所预测的柔性关节力迟滞曲线与经典Bouc-Wen模型以及实验曲线进行对比. 结果表明所提出的力迟滞Bouc-Wen修正模型,在各充气压力下的最大相对误差仅为7.75%,平均偏差小于0.45 N,模型拟合优度大于0.99. 说明所提出的Bouc-Wen修正模型能够对柔性关节驱动器的力迟滞进行准确建模,为力闭环控制提供基础,也为其他超弹性材料柔性驱动器的迟滞建模提供参考方法.     

超大型船舶变截面梁分段模型的载荷试验研究

为了验证船体弹性效应对波浪载荷的影响,在拖曳水池进行了某超大型高速船舶的分段模型试验.介绍了分段模型的设计原则,并改进了传统的分段模型,采用变截面梁对船体刚度进行模拟,分析了不同航速与模型分段数量对总弯矩响应中高频和低频成分的影响,并对极限海况下规则波和不规则波中的弯矩响应进行分析,发现了颤振现象,计算了颤振响应在总弯矩中所占的比重.最后,分别依据刚体理论、线性与非线性水弹性理论对该船的波浪载荷进行了预报,通过比较发现刚体和线性水弹性计算结果与低频弯矩吻合很好,而非线性计算结果与总弯矩吻合更好.     

低压大位移静电微驱动器驱动机理分析

针对微电子机械系统领域中横向加载单向变形静电微驱动器存在位移过小或驱动电压过大的问题,提出一种纵横弯曲硅基大位移低电压静电微驱动器．分析了静电调节力、温度应力和挤压力对微梁变形的影响．基于纵横弯曲理论,推导出位移放大系数δ．仿真结果发现,纵横弯曲微驱动器的驱动机理实质是通过位移放大系数δ,放大单向加载横向驱动器变形量,从而实现大位移、低电压驱动目的;5V驱动电压可实现高达17.5μm的位移,远大于目前传统横向加载单向变形微驱动器的变形量．     

空间两连杆柔性构件弯扭耦合振动主动控制

为了研究空间柔性结构的耦合振动，提出一种由柔性杆和柔性梁组成的两连杆柔性构件系统，对此柔性构件系统的弯扭耦合振动进行了研究，运用拉格朗日方程和假设模态法推导了此柔性系统的动力学方程．在柔性杆根部粘贴一只压电扭转驱动器抑制柔性杆的扭转振动，在柔性梁根部粘贴一只压电剪切驱动器抑制柔性梁的弯曲振动．采用一种基于Lyapunov稳定性的速度反馈控制策略进行了实验仿真研究．结果表明, 施控后的系统是稳定的，弯扭的各阶模态均能得到有效抑制，柔性梁末端的位移振动能得到显著衰减．     

形状记忆合金驱动手指功能康复外骨骼设计

为了研制适应关节黏弹特性、轻便、可穿戴的手指功能康复装置,在分析手指关节、肌腱运动机理的基础上,设计形状记忆合金（SMA）丝驱动的手指功能康复装置. 建立该装置的运动学模型和SMA驱动模型,提出基于SMA丝电阻反馈的模糊神经网络PID控制方法,研制手指功能康复外骨骼样机,进行样机的运动性能和控制性能实验. 结果表明,仿生外骨骼实现了预期的手指被动康复运动,拇指、食指和中指的最大弯曲角度与人体手指的弯曲角度相近,分别为130.5°、236.4°、242.5°;仿生外骨骼能够辅助手指完成日常抓握动作;模糊神经网络PID相比于传统PID控制,有效缩短了仿生外骨骼的响应时间,手指的屈伸康复频率为6次/min.