形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金（SMA）丝驱动型仿生蝠鲼机 器鱼．首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型．然后对能够模仿蝠 鲼肌肉动作的智能材料进行了分析．最后设计了SMA 丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA 丝 的热力学特性,确定了控制规律．该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔 性仿生胸鳍,直线游动速度达到79 mm/s,最小转弯半径为118 mm．该机器鱼游动稳定性好,无噪声．     

基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究

论述了一种微型机器鱼.首先对亚鲹科、鲹科和鳐科模式游动动作进行了简化和抽象,确定柔性弯曲是这三种模式的一种简化的游动动作.然后从乌贼鳍的肌肉性静水骨骼鳍的结构得出灵感,提出并研制了能够实现柔性弯曲的柔性鳍单元;它应用动物弹性机制,由形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）丝驱动.再对SMA丝进行了热力学分析,从而优化其驱动.最后,基于柔性鳍单元,设计了无线遥控的尾鳍推进微型机器鱼,并进行了游动试验;实现了亚鲹科和鲹科模式游动动作.该机器鱼无任何转动、滑动部件,能够实现快速、安静的隐蔽性游动.     

基于IPMC 驱动的自主微型机器鱼

本文从微小型鱼类的运动和受力分析入手,基于人工肌肉IPMC（离子聚合物金属复合材料）的特性, 进行微型机器鱼的结构和控制系统的设计．在此基础上实现仿小型鱼类的各种运动模式,然后,讨论了IPMC 驱动 器推进效率的优化．实验结果证明,基于IPMC 的厘米级机器鱼是可行的：通过改变控制信号的频率和占空比,实 现微型机器鱼的速度控制;通过控制胸鳍和尾鳍,实现上浮、下潜、转弯、巡游等运动模式．最后从尾鳍推进器的结 构角度分析了如何提高推进效率．     

软体机器人驱动研究现状

首先,介绍了软体机器人的发展和研究现状,重点综述了国内外关于软体机器人驱动方式和驱动机理的主要研究成果．然后,将软体机器人的驱动方式归纳为流体驱动、电活性聚合物驱动、磁流变弹性体（MRE）驱动、形状记忆合金（SMA）驱动和化学驱动等,对各驱动方式的科学原理和所对应的典型驱动结构进行了介绍,并梳理和分析了目前在软体机器人驱动技术发展中的瓶颈问题和关键科学问题．最后,尝试对软体机器人驱动研究领域中的挑战和未来发展趋势进行了展望．     

仿生学在人工肌肉研究中的应用

本文从仿生学的角度出发，提出一种仿生物肌肉驱动性能的磁性橡胶人工肌肉，并对其结构和特点进行了分析。     

基于人工肌肉的机器人驱动关节设计与研究

提出一种基于人工肌肉的新型驱动关节设计方法, 用于提高机器人的驱动性能.通过定义关节结构的笛卡儿坐标系统,建立了反映关节结构参 数与工作空间、结构强度、动力学特性之间关系的数学模型.在上述分析的基础上,采用多 目标规划算法对驱动关节进行优化设计,并给出相应的设计变量、目标函数、约束条件和求 解方法.最后,将该方法应用于某四足机器人髋关节的设计过程.仿真结果表明,基于人工 肌肉的新型驱动关节具有良好的强度、灵巧度和承载能力.     

基于耦合驱动蛇形机器人机构设计与抬起的方法

文中设计了模块化的新型蛇形机器人关节单元．该单元具有三个自由度，其中摆动和俯仰自由度由耦合机构驱动来获得较大的力矩和活动空间．由该单元组成的蛇形机器人具有很强的驱动能力，能够抬起较多的单元．针对蛇形机器人的特点，给出了耦合机构的设计原则．对蛇形机器人抬起方法作了分析，得出采用适当规划方法能够抬起的最大单元数量是直接抬起的最大单元数量的平方关系的结论，并在此基础上分析了最大关节角对机器人抬起的影响，最后结合实例验证了上面分析结果．     

仿生学的人工肌肉研究中的应用

本文从仿生学的角度出发，提出一种仿生物肌肉驱动性能的磁性橡胶人工肌肉，并对其结构和特点进行了分析。     

“人工鱼”动画模型设计

人工鱼生物力学模型及运动控制 １．人工鱼生物力学模型的结构 大多数鱼都是用它们的尾鳍作为主要的驱动器官。尾鳍驱动有三种基本类型：第一种类型，如具有刚性躯体和带壳的鱼所表现的，使用尾鳍和邻近躯体的一小部分；第二种类型，就像青鱼、鲭鱼、大马哈鱼等能灵活游动的鱼种所表现的，至少有半个躯体是可弯曲的；第三种类型，如美洲鳗所表现的，在波浪起伏的水流中游动，几乎整个身体都是可以变形的。 我们开发的人工鱼的生物力学模型的尾部驱动模式为第二种类型。我们设计了曲２３个质量点和９１个“弹簧－阻尼”单元所组成的“质点－…     

基于MGPI模型的SMA柔性驱动自适应NN控制

形状记忆合金(SMA)作为一类仿人肌肉驱动的智能柔性驱动材料,在机器人及高端制造等领域逐步得到应用,但由于SMA的热力学效应,造成输入输出之间存在强饱和回滞非线性,从而影响了驱动性能.此外在引入负载后, SMA柔性驱动部件输出性能表现出更为复杂的驱动特性.因此,如何有效抑制带载条件下SMA柔性驱动部件强饱和非线性影响,成为提升驱动性能的关键.针对此问题,本文重点研究带载条件下SMA柔性驱动部件的建模及驱动控制算法.针对SMA驱动部件中的强饱和非线性特性,本文提出一类修正(MGPI)回滞模型来进行表征.通过设定线性输入形状函数,不仅有效解析表征SMA驱动部件中的饱和回滞非线性,并且便于控制器设计.基于MGPI模型,考虑柔性驱动部件的动态特性,本文提出了带载条件下的SMA柔性驱动部件的自适应神经网络控制算法,实现考虑内部非线性和外部干扰条件下的驱动精度有效提升,并保证全局稳定性.     

基于人工侧线的相邻仿生机器鱼感知研究

侧线系统是鱼类重要的感知器官,鱼类可以通过侧线器官实现对周围环境的感知,从而进行捕食、避敌以及一些群体行为.鱼类尾鳍摆动时会形成反卡门涡街,研究反卡门涡街对于仿生机器人的位姿和运动状态感知具有重要意义.以仿生机器鱼为平台、以侧线系统为依据,在机器鱼上实现人工侧线系统,当前方不同相对横向位置处机器鱼尾鳍摆动时,利用人工侧线实现对尾鳍摆动产生的反卡门涡街进行信息感知,从而间接识别机器鱼的相对横向位置,为群体机器鱼的相互感知提供了新思路.     

Design Optimization of a Bionic Fish with Multi-Joint Fin Rays

This paper aims to design a novel bionic fish propelled by oscillating paired pectoral fins. Flapping motion deformation of the nature sample, the cow-nosed ray, is realized with simple mechanical structure through optimization. Locomotion analysis of the nature sample under linear cruise swimming conditions is carried out. Simplified mathematical models of the pectoral fin are obtained to be the design foundation of the bionic fin rays and the bionic fish. The number of fin rays is decided according to the passing kinematic wave shape and number. Distance and structure parameters are optimized, and determined by the minimum area error method. A novel two-stage slide–rocker mechanism is designed to fulfill the driving requirements with only one servo motor. System design of a new bionic fish robot is presented, including the mechanical design and the control method. Main bionic characteristics extracted from the cow-nosed ray are fulfilled by the prototype and verified by experiments.     

基于波浪能获取的多关节仿生机器鱼能源自给系统

为解决仿生机器鱼水下长期服役的能源瓶颈问题,提出利用波浪能摆动关节来发电的多关节仿生机器 鱼能源自给系统．根据随机波浪理论分析了海浪的频谱特性和获能潜力,设计了利用关节摆动发电的能源获取系 统,并建立该系统的机电模型．最后,通过仿真模拟和单关节摆动发电试验验证了该方法的可行性,为仿生机器鱼 水下长期服役的能源自给系统设计提供了参考．     

SMA丝驱动的手指康复机器人设计及实验研究

为了研制一种轻便、可穿戴的仿生手指康复机器人,在分析手指肌肉骨骼生物参数及致动机理的基础上,设计了一种形状记忆合金丝(Shape Memory Alloy, SMA)驱动的软体柔性手指康复机器人,建立了其运动学和力学模型。以手套为结构设计的原型,通过控制SMA丝的收缩来模拟手指肌肉肌腱的收缩,从而实现辅助手指屈曲伸展运动的功能。试验研究了手指康复机器人的运动性能和抓握性能。试验结果表明,手指柔性康复机器人最大弯曲角度接近正常人手关节角度,最大指尖力可达18N,能完成日常所需的屈曲伸展以及抓握功能。     

主轴系统仿蜂巢冷却结构流固耦合热设计研究

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的重要因素。受自然界蜂巢分形结构的启发,设计了一种基于蜂巢仿生流道的主轴系统冷却结构,并建立了蜂巢仿生流道冷却结构模型。在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软件对蜂巢仿生流道(单孔和多孔流道截面结构)和螺旋形流道冷却结构方案进行仿真计算,流固耦合分析结果显示两种前者流道结构比后者的流动特性较好,散热效果更好。在同等边界条件和冷却液体积相同情况下,多孔蜂巢形流道截面结构比单孔蜂巢形流道截面结构的散热效果更理想、温差更小。研究结果可以为主轴系统的冷却结构乃至电子元器件等微系统结构热设计提供参考。     

Development of a shape memory alloy actuator. Improvement of output performance by the introduction of a σ-mechanism

The driving-force-generating principle of an actuator made of shape memory alloy (SMA) is based on the thermal elastic martensitic transformation, a kind of elastic phenomenon. As a result, conventional SMA actuators which use a circular pulley have tended to exhibit undesirable characteristics such as the maximum generable torque being changed depending on the rotating angle when the robot joint was driven by rotating motion transformed from expansion/contraction of the SMA, so that the servo system to support the torque under a certain load could not have an operable range wide enough for practical application. This paper intends to clarify these problems of SMA actuators and proposes a new joint mechanism using a σ-shaped non-circular pulley, called the σ-mechanism, for joint linkage to overcome the problems. This design enables the maximum generated torque to be kept uniform at all times by reducing the torque-arm-length in inverse proportion when the SMA tension increases corresponding to the rotating angle of the joint. Subsequently, a specifically designing algorithm for the proposed σ-mechanism is discussed. The validity of the new mechanism is demonstrated by an experimental model using an SMA actuator with a σpulley.     

仿生扑翼“0”形轨迹机构的设计及气动力特性

针对仿生扑翼飞行器的驱动结构进行设计,提出了一种空间摇杆式的驱动机构与机翼扭转机构,实现机翼扑动过程中的"0"形空间运动轨迹.针对机翼的空间"0"字形运动,建立仿生飞行器气动分析模型,采用动网格与非定常数值计算方法,对机翼拍动过程中不同相位下的升阻特性进行分析,并通过空气动力效率与流场对比分析,得到不同参数条件下的气动效率,为仿生扑翼飞行器的设计及扑动模式的选择提供参考.通过气动力测量实验、台架姿态标定和外场飞行测试,验证了结构设计的合理性.     

Modeling of pneumatic muscle with shape memory alloy and braided sleeve

Pneumatic muscle (PM) of flexible actuators used in bionic robot is an active area of recent research. A novel PM with shape memory alloy (SMA) braided sleeve is proposed in this paper, and SMA is used to improve PM working characteristics. Based on the principle of virtual work, output force model of PM and relationship with braided wire inner-stress are established, and analysis of PM deformation has shown that braided wire length is the key factor of output force characteristic. Based on the crystal structure transitions, the relationship of temperature with wire shrinkage is derived. Then, the synthetic dynamics of novel PM is established. A physical prototype of PM with SMA braided sleeve is developed, and test platform that is built for the experiment. Experiment and simulation test of static isometric-length, static isobaric-pressure, and dynamic characteristics are done. The experimental results are compared with the simulation of theoretical model. Moreover, based on experiment, model of output force was improved by adding a correction factor to deal with the elastic force of rubber tube. The results analysis demonstrates that the established models are correct, and SMA wires can reinforce PM and make PM working characteristics adjustable. PM proposed in this paper has greater output force and is beneficial to achieve more accurate control that is useful for manipulating fragile things.     

吊车钢丝绳非线性谐振建模及消谐控制

对于欠驱动吊车而言, 已有的方法都只考虑如何消除摆角. 然而当钢丝绳的摆角很小时, 钢丝绳上可能仍 然会存在严重的谐振. 针对吊车的消谐问题, 本文率先提出了一种基于钢丝绳–电机轴的非线性谐振力矩模型. 具体而言, 先利用振动力学的方法, 建立了非线性谐振力矩模型, 该模型可以将钢丝绳上的非线性谐振力矩归算到电机轴上, 然后通过电机控制器调节电机的输出力矩, 使得电机输出的基波主力矩上叠加一个大小相等方向相反的非线 性谐振力矩, 以达到消除钢丝绳上的谐振力矩的目的. 最后通过Simulink仿真和实验证明该方法具有良好的控制性 能, 不仅可以有效消除钢丝绳上的谐振, 并且能进一步减小摆角.     

一种六足仿生巡检机器人的设计与实现

六足仿生机器人因其灵活度好、可靠性高、适应性强等特点而得到广泛应用;针对六足仿生巡检机器人,从结构设计、步态规划、系统仿真和实物构建等方面,探索一般意义上系统设计和实现方法;首先设计了六足仿生机器人的多关节机械结构,并给出了此类系统的量化建模方法;然后采用了重心随动的三角步态规划方法,对系统稳定性和典型步态规划进行了量化分析;在此基础上基于标准D-H参数法建立了机器人的运动学模型,并且通过仿真实现了六足机器人向前纵向行走和向右横向行走的直线平稳运动;最后通过六足仿生巡检机器人实物测试,验证了所设计的结构和步态规划方法的可行性和有效性。