柔性软体机械手的设计及变形研究

针对目前柔性软体机械手国内外研究现状,总结了其关键技术难题与不足。以柔性软体机械手为研究对象,设计并验证了柔性软体机械手的弯曲变形特性及压力响应特性。首先设计了柔性软体机械手结构,由单向弯曲驱动器、滑移平板以及连接装置组成,建立了柔性软体机械手指理论数学模型;其次利用有限元分析软件ABAQUS基于Yeoh模型建立了柔性软体机械手指硅胶材料的本构模型;同时,利用3D打印技术制备带有腔体的单向弯曲驱动器的浇注模具,注入混合好的液态硅胶,获得硅胶材料的柔性软体机械手指;最后开展了单向弯曲驱动器弯曲变形仿真及实验,验证了柔性软体机械手指的弯曲变形特性及压力响应特性,并验证了理论数学模型的准确性。     

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。     

基于遥操作的视频增强现实系统的研究

从分析遥操作的人机交互手段入手，研究了基于遥操作的增强现实系统的单元基本结构和功能，提出了基于遥操作机械手的视频增强现实系统的软件框架和实现方法，并应用到遥操作空间机械手的模拟实验中，完成了模拟机械手抓取的作业任务，验证了其实用性。     

液态金属柔性感知的人机交互软体机械手

利用3D打印技术制作了基于液态金属微流道的应变传感器和弯曲传感器，并将应变传感器集成至人体传感手套，用于人手的手势检测；将弯曲传感器集成至软体机械手，用作软体机械手的姿势及运动控制，通过传感手套控制软体机械手实现了人机交互。实验证明传感手套不仅能控制软体机械手的姿势，还能精确控制每根软体手指的弯曲程度。     

磁致变刚度原理的气动软体致动器设计与试验

软体机器人友好的人机交互特性使其在柔性抓取、生物医疗等领域有着广泛的应用前景。针对软体机器人“柔有余而刚不足”的缺陷，提出了一种具有快速、可逆变刚度能力的磁气混合驱动软体致动器。基于磁流变效应，设计了以磁流变弹性体材料作为基体的单自由度纤维增强型磁气混合软体致动器，并给出了软体致动器的浇注制造工艺。构建了磁-力耦合模型，分析磁流变弹性体中的刚度影响关系。基于自主开发的刚度测试平台，试验结果表明：设计开发的软体致动器可以在气压和磁场作用下实现可变刚度混合驱动，通过增加磁场强度可以明显提升软体致动器的刚度，最高可提高约40%。软体致动器末端位置控制实验结果表明：通过磁场激励作用，可将软体致动器携带负载的位姿保持能力提高1.4倍，具有动载荷下的位置保持驱动能力，调节响应时间小于1.5 s。     

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。     

形状记忆合金变刚度软作动器设计

软体材料作动器具有良好的目标抓取适应性，为实现软作动器结构的轻量化，保证抓取与承载能力，采用形状记忆合金丝作为驱动元件，设计出一种可变刚度的软作动器。首先，基于形状记忆合金（shape memory alloy，简称SMA）一维本构关系建立了作动器的弯曲变形力学模型；其次，通过实验对力与变形之间的关系进行了验证，弯曲变形与理论结果一致；最后，通过回弹结构的动力学设计，使得该作动器能够在恢复阶段快速回到初始形态。实验结果显示，加热用于变刚度的形状记忆合金丝可显著提升作动器的负载能力，从而达到变刚度的效果。     

仿鸟喙微型气动软体机械手爪的设计及优化

为实现微型易碎、不规则物体的稳定抓取,结合软体材料的柔顺性和鸟喙结构抓取的准确性,提出一种仿鸟喙微型气动软体机械手爪,该机械手爪不仅具有一般软体手爪良好的环境适应性,而且结构更加简洁,对微型物体尤其适用。利用Yeoh本构模型和Ansys软件,对手爪的弯曲特性做了有限元仿真,并根据仿真结果进行变壁厚和局部填充的优化。对优化后的手爪进行了弯曲特性、抓取力测试试验和适应性试验,验证了仿鸟喙微型气动软体机械手爪的可行性。     

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。     

锯齿状气动软体执行器设计与分析

提出一种由3D打印技术和硅胶浇筑技术相结合的锯齿状气动软体执行器，对执行器的弯曲角度与气压的关系进行数学建模，通过单轴拉伸实验对材料参数进行测定，利用ABAQUS软件对影响执行器弯曲性能的因素进行有限元仿真，并对不同因素参数组合下的执行器弯曲位姿和运动区域进行分析，从而获得各因素综合作用下的最佳参数组合。搭建实验平台，对最佳参数下的执行器弯曲角度和运动区域进行实验测定，验证了建模的准确性。     

刚软结合可穿戴手部康复装置设计

手部康复装置是用于手部功能恢复治疗的装置,刚性装置柔性不足、贴合性差,容易造成二次伤害;软体装置驱动力小,且复杂软体装置不易制作。为克服刚性装置与软体装置的缺点,提出了一种结合软体关节与刚性指节的可穿戴手部康复装置。分析人手的生物结构,设计软体关节结构并分析其弯曲特性,基于刚软结合设计气动手指执行器,并进行有限元应力与变形分析;完成软体硅胶关节模具和手部康复装置的制作;搭建气动手指执行器测试实验平台,测试刚软结合手指执行器的弯曲特性和指尖力,并进行手部康复装置对不同形状物体的抓取实验。结果表明所设计的刚软结合可穿戴手部康复装置可实现手部抓握等运动功能的康复训练。     

一种柔性移动微小机器人系统的驱动力学特性分析

基于尺蠖运动的机理，本文研制了一种具有柔性移动机构的微小机器人内窥镜诊疗系统，该机器人系统采用三自由度空气压橡胶驱动器驱动，通过气囊钳位。分析了机器人系统的驱动力学特性，设计了电-气控制系统控制机器人移动，并通过该电-气控制系统实验测试了机器人系统的驱动力学特性。实验结果表明，理论分析与实验测试结果相符，该机器人系统可在软管内实现平滑柔性移动。     

基于三组测量绳结构的软体机械臂运动检测

针对气动软体机械臂运动形状检测问题,设计了一种基于拉线编码器的三组测量绳结构的运动学参数检测装置。依据分段常曲率法,构建了气动模块化软体机械臂的运动检测模型,基于机械臂柔性材料的特点,在建模过程中引入刚度法,使检测模型能准确反映从机械臂驱动气压到形状变化以及运动学参数的映射关系。提出了一种可模块化组装的气动软体机械臂,用于验证检测装置与模型的精度,所提出的机械臂在构型上由硅胶基体、运动气囊和连接板组成,能实现机械臂的模块化组装。通过对所构建的运动检测模型进行推导与仿真,得到了模型的相对误差。最后,通过试验验证了运动检测建模的精度和机械臂驱动、构型以及运动的特征。研究结果表明：相比于传统的视觉追踪方法,所设计的基于三组测量绳结构的检测装置能实现对软体机械臂运动形状的高精度检测。     

气动柔性五自由度手指的神经网络控制

基于气动柔性弯曲关节和球关节,设计了仿人类大拇指的五自由度气动柔性手指,通过对手指运动的分析,建立了手指控制模型。根据BP神经网络算法对手指进行控制,通过位置控制网络层计算驱动气压,并作为下层网络的输入,驱动器控制网络层控制数字比例阀的输入电压来控制手指的驱动气压,实现对手指的控制。系统仿真和实验结果表明,该算法能很好地实现手指运动的精确控制。     

颗粒流驱动变刚度弯曲软体驱动器的设计及运动仿真

为提高软体机器人的承载能力，利用颗粒物质兼具流体和阻塞刚化的特性，设计了一种变刚度弯曲软体驱动器。以颗粒物质力学为指导，设计并制造了变刚度弯曲软体驱动器样机。通过试验获得了分别描述颗粒物质和变形腔材料的联合弹塑性模型、Ogden超弹本构模型，提出了软体驱动器运动过程的有限元仿真方法，搭建了变刚度软体驱动器实验平台。实验与仿真获得的弯角误差约为15.6%，利用颗粒阻塞原理可使承载能力提高约1.75倍。     

基于三维软体驱动器的手部康复装置研究

针对手部康复装置结构复杂、穿戴舒适性差、制作成本高等问题,提出了一种基于三维软体驱动器的新型手部康复装置。首先,根据手部功能运动范围分析,设计了具有三空腔结构和纤维增强结构的三维软体驱动器。其次,利用Yeoh模型、虚功原理和结构分析,建立了以空气压强、纤维匝数为输入量,弯曲角度为输出量的数学模型。然后,通过有限元分析,确定了纤维匝数和建议工作压强,降低了数学模型的计算量。最后,使用3D打印技术和硅胶材料完成了样机的制作。为了验证以上理论,在软体驱动器综合实验平台上进行了性能测试。结果表明,该软体驱动器的最大弯曲角度、指尖力和相对误差分别为230°、1.08 N和25.04%;该装置可以模仿常见手势,抓取日常生活用品,能够满足基本的手部康复训练。     

气动柔性五自由度手指运动分析及控制

基于气动柔性驱动器,设计了气动柔性五自由度手指,并介绍了其结构原理。分析建立了五自由度手指的运动学方程,并采用遗传算法解决了该五自由度手指逆运动学中的冗余解问题。基于神经网络设计了手指控制器,并进行了手指指尖轨迹跟踪实验。实验结果表明,手指指尖的运动实验曲线与理论曲线比较接近,说明采用遗传算法及神经网络控制能够实现对五自由度手指的较精确实时控制。     

Analysis of actuating mechanics characteristics for a flexible miniature robot system

Based on the inchworm movement, a miniature endoscope inspection robot system with a flexible structure is designed. The system is actuated by a pneumatic rubber actuator with three degrees of freedom, and it holds its position by air chambers. The actuating mechanics characteristics of the robot are analyzed. An electro-pneumatic pressure system is designed to control the motion of the robot. Results of the calculation and experiments are consistent, and the robot system can move smoothly in a soft tube.     

Rapid prototyping of fuzzy controller pneumatic servo-system

The results of simulation and experimental tests conducted for pneumatic servo-drive with FLC (fuzzy logic controller) are presented. For positioning control and teaching/play-back control of pneumatic servo-drive, a fuzzy PD (proportional-derivative) controller was designed and constructed by means of xPC Target software of Matlab-Simulink package for rapid prototyping and hardware-in-the-loop simulation. The non-linear simulation model of pneumatic servo-drive was constructed and used to tune fuzzy PD controller by means of Fuzzy Logic Toolbox of Matlab-Simulink package. The fuzzy logic PD controller enables precise positioning of pneumatic servo-drive with the precision specified for industrial manipulators. A lot of simulation and experimental tests were carried on pneumatic servo-drive with fuzzy controller which was used for its transpose and follow-up control. The designed fuzzy system is efficient, stable, and resistant to disturbances and can be applied in any configurations of pneumatic servo-drive without the necessity to tune the regulator, apply signal filtration, or additional operations in track control or restrict the signals generated. Pneumatic servo-drives with teaching/playback control system have considerable practical significance, especially in the control of manipulating machines, manipulators, and industrial robots as well as rehabilitation and physiotherapy manipulators.     

气动柔性驱动器及其在灵巧手中的应用研究综述 

介绍了几种典型的气动柔性驱动器——McKibben型PMA、三自由度FMA、旋转型气动柔性驱动器、柔性流体驱动器和新型气动柔性驱动器FPA的研究现状,并对这5种气动柔性驱动器进行了深入的分析讨论,指出它们各自的优点和不足之处。综述了应用典型气动柔性驱动器研制的几种气动柔性灵巧手,分析了各灵巧手的特点;结合上述几种气动柔性灵巧手,对目前该领域研究中存在的急需解决的关键性问题进行了总结分析。