基于差动轮系的变刚度执行器及变刚度柔性手爪

结合差动轮系和杠杆原理设计了一种调刚范围从0～+∞的变刚度执行器,并完成了其结构优化设计和调刚能耗优化设计。该变刚度执行器具有变刚度范围大,调刚能耗需求低,占用空间小,易控制,响应速度快,可靠性强,技术实现可行性高等优点,具有一定的实际应用意义。在此基础上设计了一款欠驱动变刚度柔性手爪,将变刚度执行器作为手爪关节的驱动单元,通过调节变刚度执行器的刚度来改变手爪的刚度。最后,搭建了变刚度柔性手爪的硬件平台,对变刚度执行器进行了刚度测量,验证了所设计的变刚度执行器在进行刚度调节上的可行性。进行了变刚度柔性手爪的力控制实验,成功实现了对柔软物体的抓取。对变刚度柔性手爪的单指进行了性能分析,并验证了手指刚度与变刚度执行器刚度呈正相关关系,完成了变刚度柔性手爪性能实验验证。     

基于纤维包覆式气动结构的柔性手术臂刚度调节性能研究

针对未来微创手术操作臂的发展需求,提出了一种利用负压原理来增强离散结构间相互作用以实现柔性手术操作臂刚度调节的方法。据此设计制作了可包覆于管状柔性手术臂外表面的气动型多层纤维束编织结构,可通过抽真空使被密封的纤维束夹层内产生负压,增大轴向交错叠加的纤维丝之间的挤压力与摩擦力,从而起到刚度增强的作用。研究了大变形手术臂抗弯刚度的半解析计算方法。开展了该变刚度柔性手术臂结构性能的试验研究,探索了真空度、纤维丝结构参数(丝径和纤维丝表面粗糙度)、封装膜厚度及纤维层截面等因素对手术臂刚度的影响规律,为柔性手术臂的变刚度设计、优化提供了依据。     

基于堵塞原理的变刚度软体机器人设计与试验

软体机器人运动时具有高柔性，执行任务时又能展示出强刚度，在军事侦察、灾难救援等复杂环境探索与检测方面具有重要的应用价值。结合主动驱动的网络气动结构与被动驱动的堵塞机构的优势，提出实时变刚度的软体驱动器，研究其变刚度机理和动态建模方法。首先，提出了气动-堵塞机构耦合的软体驱动器模型；其次，利用赫兹接触模型，建立机器人运动数学模型，从理论上研究其变刚度形成机理；再次，利用有限元对气动驱动结构进行分析，研究空腔内压强、形状和大小对软体机器人弯曲角度的影响，并进行了优化；最后，制作了变刚度软体机械臂样机，验证了软体驱动器的变刚度性能与运动性能。该研究有望为变刚度软体机器人设计与刚度调控提供新的理论和技术支持。     

一种被动三自由度变刚度柔性基座设计

在一些大型航天器上,为扩大机械臂的工作空间,往往采用宏微臂组合的方式。当微臂工作时,宏臂相当于微臂的柔性基座。针对这种宏微臂串联组合方式,设计一种被动三自由度来模拟宏臂,用于微臂的地面试验。柔性基座实现了三自由度之间的耦合,且采用不同的原理实现了三自由度方向刚度的可调性。对柔性基座进行了刚度特性分析,得到了其变形角度的刚度阵,并对其刚度阵进行了分析。为柔性基座机械臂的动力学研究提供了实验平台。     

气动软体机械臂模块变刚度性能分析

根据现有的气动软体机械臂的特征,为解决软体机械臂存在的结构刚度不足的问题,提出了一种软体机械臂模块。该模块采用耦合变刚度原理,由上下两端连接板、位于两连接板之间的外部弯曲硅胶气囊和中部变刚度硅胶气囊组成,可实现连续软体机械臂的模块化和变刚度,提升软体机械臂的负载能力。基于硅胶的超弹性材料特征,建立了新型软体机械臂模块的非线性力学模型并通过该模型完成了变刚度性能分析。在充分考虑各硅胶气囊的驱动力矩和模块的弯曲运动的基础上,设计了静态拉伸试验,对模块的变刚度气囊通过施加冗余驱动力矩来实现变刚度的效果进行了分析。通过试验与论证,总结出了模块充气压强与模块结构的刚度之间的变化规律,为气动软体机械臂刚度的计算和这种模块的实际应用提供了理论支持。     

一种双螺旋柔性传动机构刚度的有限元分析

柔性传动结构在微创手术器械中有着越来越多的应用,由于其结构的复杂性,很多时候难以通过理论计算分析结构的力学性能。提出了一种双螺旋柔性传动结构,利用有限元软件ABAQUS对双螺旋结构建立了有限元模型,并分析了核直径、螺距、壁厚百分比及槽底半径对双螺旋结构扭转刚度的影响。结果表明,随着核直径、螺距、壁厚和槽底半径的增大扭转刚度增大,且在其他参数不变的情况下,扭转刚度随着壁厚百分比基本呈线性变化,这在双螺旋结构的设计中具有重要指导意义。     

软体机械臂仿生机理、驱动及建模控制研究发展综述

软体机械臂由柔性材料制作,具有高柔顺性、复杂环境适应性及安全人机交互性等特点,研究涉及材料学、仿生、机械设计和制造、传感器技术等多学科交叉融合,其发展为柔性材料应用、仿生机器人研究等提供参考和技术支持,在工业生产、医疗手术、救灾探测、生活护理等方面具有广阔应用前景,受到国内外学者及机构的广泛关注和研究。文章从仿生原理、驱动方式、变刚度方式、建模及控制等方面对软体机械臂研究进行综述,介绍章鱼臂及象鼻等生物结构仿生机理;按驱动类型将软体机械臂分为流体驱动、线驱动、气动人工肌肉、形状记忆合金、电活性聚合物、混合驱动等;介绍拮抗机构、阻塞、材料相变三种变刚度方式;以及目前常用于软体机械臂上的建模方法及控制策略。从中归纳和分析,得到软体机械臂的关键问题包括可重复性、精度、低输出力和建模控制等,其关键技术及未来发展方向包括新柔性材料制备和成型技术、刚柔结合/可变刚度机器人、柔性传感器技术等。     

基于柔性多体动力学的机械臂结构优化设计

针对柔性关节对工业机器人动力学特性的影响,基于“转子-扭簧”模型和有限元法,研究关节刚度对机械臂固有动力学特性的影响规律;考虑臂杆柔性和关节柔性,建立了机械臂多柔体动力学有限元模型,以机械臂轻量化为设计目标,以末端总位移量为约束条件对机械臂结构进行优化。研究结果表明,不同关节刚度对机械臂各阶固有频率的影响不同,优化后的机械臂载重/自重比增大,刚度和强度均得到提高,整体动力学性能明显提高。     

基于柔性并联机构的变刚度夹持器设计分析

提出一种新型双夹爪变刚度夹持器,每个夹爪是一个由四根对称旋转柔性支链组成的变刚度柔性并联机构（VSFPM）。夹持器由两个电动机驱动,其中一个宏动电动机用于控制夹爪的开合运动,适应被抓取物体的几何尺寸;另一个微动电动机用于控制柔性支链的旋转角度,以调整夹爪在开合方向的刚度,实现变刚度柔顺抓取,提高对被抓取物体几何形状、材料属性的适应能力。基于刚度投影方法,分析了基于旋转支链柔性并联机构在夹持方向上的变刚度原理;应用基于伴随变换的刚度分析方法,求得了夹爪在任意旋转角度下的刚度模型;通过有限元仿真分析,验证了刚度模型的准确性。此外,有限元分析结果表明,提出的VSFPM机构具有较大的刚度调整范围（0.178~9.663 N/mm）,为变刚度柔性夹持器设计提供了新的思路和方法。     

摆线柔性铰链的设计计算与性能分析

提出了一类基于摆线方程切口的新型柔性铰链。利用变截面梁弯曲理论推导其转动刚度数学模型,根据微元法下的胡克定律叠加原理推导其拉伸刚度的数学模型,通过有限元验证了计算公式的正确性,讨论了结构参数对转动刚度的影响关系和显著程度,比较了新型柔性铰链与传统柔性铰链的性能。分析表明转动刚度与弹性模量、宽度和最小厚度成正比,而与拱高参数成反比,且对最小厚度的变化最敏感,新型柔性铰链的柔度仅次于椭圆型,相较于圆弧型和抛物线型柔铰对载荷的敏感程度平均提高了10%和30%以上,新型摆线柔铰为柔性铰链的设计选型提供了新思路。     

一种可用于微创手术的并联机构运动学分析与性能优化

与串联机构相比,并联机构具有刚度好,精度高,响应快等优点,适合用于医疗领域。微创穿刺活检等手术要求机器人机构能够输出远中心运动。提出了一种用于微创手术的新型远中心并联机构,其分支内部包含平行四边形闭环子链。采用螺旋理论对机构自由度进行了分析,证明其能输出两个转动运动和一个移动运动,且所有运动均通过远端固定中心。对机构进行位置分析,建立了驱动参数与末端参数之间的映射。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并分析得到了机构的奇异位形,包括逆解奇异、正解奇异和混合奇异。应用搜索法分析了机构的工作空间。采用运动/力传递指标对机构进行了性能分析,绘制工作空间内的性能图谱。以优质空间大小为目标对机构进行了尺度优化。     

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。     

Design and implementation of a novel modal space active force control concept for spatial multi-DOF parallel robotic manipulators actuated by electrical actuators

Robotic spine brace based on parallel-actuated robotic system is a new device for treatment and sensing of scoliosis, however, the strong dynamic coupling and anisotropy problem of parallel manipulators result in accuracy loss of rehabilitation force control, including big error in direction and value of force. A novel active force control strategy named modal space force control is proposed to solve these problems.Considering the electrical driven system and contact environment, the mathematical model of spatial parallel manipulator is built. The strong dynamic coupling problem in force field is described via experiments as well as the anisotropy problem of work space of parallel manipulators. The effects of dynamic coupling on control design and performances are discussed, and the influences of anisotropy on accuracy are also addressed. With mass/inertia matrix and stiffness matrix of parallel manipulators, a modal matrix can be calculated by using eigenvalue decomposition. Making use of the orthogonality of modal matrix with mass matrix of parallel manipulators, the strong coupled dynamic equations expressed in work space or joint space of parallel manipulator may be transformed into decoupled equations formulated in modal space. According to this property, each force control channel is independent of others in the modal space, thus we proposed modal space force control concept which means the force controller is designed in modal space. A modal space active force control is designed and implemented with only a simple PID controller employed as exampled control method to show the differences, uniqueness, and benefits of modal space force control. Simulation and experimental results show that the proposed modal space force control concept can effectively overcome the effects of the strong dynamic coupling and anisotropy problem in the physical space, and modal space force control is thus a very useful control framework, which is better than the current joint space control and work space control.     

A comprehensive study of modal characteristics of a cylindrical manipulator with both link and joint flexibility

A thorough understanding of modal characteristics of vibrating manipulators is essential for improved dynamic positioning accuracy. Presented in this work is an extensive investigation of a cylindrical manipulator, consisting of a revolute and a prismatic joint. In general, for high-speed, flexible manipulators, modal properties depend mainly upon the following factors: (1) physical dimensions and material properties of components (such as arms and joints), which remain unchanged for a chosen manipulator; (2) a manipulator's position (or orientation) as a result of joint actuations; (3) the rigid-elastic coupling effect; and (4) the centrifugal stiffening effect due to the influence of internal axial force on the lateral stiffness. This work is intended to study the effects of each of the above factors on modal characteristics of the manipulator, and gives insight into the susceptibility of the modal parameters to each factor. In addition, joint flexibility has substantial influence on modal properties of a robotic system, depending on the relative importance of joint torsional stiffness to the stiffness of other members, such as the bending stiffness of arms. In the situation where the manipulator moves at a high speed, both rigid-elastic coupling and centrifugal stiffening effects can become important.     

柔性机械臂动力学建模理论与实验研究进展

总结了国内外学者在柔性机械臂建模理论及其相关实验等方面的最新研究进展,系统地阐述了柔性机械臂的变形描述方法、关节动力学建模、柔性机械臂系统的动力学建模方法、臂杆的刚化和软化效应、柔性机械臂实验方法等方面的研究现状,提出了现阶段机械臂动力学理论与实验研究存在的问题与不足,预测了柔性机械臂动力学研究的主要方向和核心技术,详细分析了柔性机械臂最佳模态阶数选取、基于动力学特性的柔性机械臂系统参数优化、关节驱动规律的确定、柔性机械臂在高速运转下刚化与软化效应、柔性机械臂关节精细建模、空间柔性机械臂超低速运行时爬行现象等待解决的关键技术问题。     

并联机器人机构静刚度研究现状与展望

静刚度是并联机器人机构的一项重要性能评价指标,是并联机器人研究的热点领域之一。从有限元分析、静刚度解析模型、静刚度分析和静刚度设计等4个领域对并联机器人机构的静刚度研究现状进行了总结回顾,并对其未来发展趋势进行了分析。     

柔性机器人动力奇异问题的研究

对柔性机器人的动力奇异问题进行了研究。首先分析了柔性机器人产生动力奇异的原因,确定了激振力的方向、激振力的大小、阻尼的大小、在共振区间内激振力频率与机器人固有频率的相对变化速度以及机器人固有频率的大小是影响动力奇异的因素;然后提出了机器人动力奇异的判定依据和避免动力奇异的措施;最后以一末杆为柔杆的空间三杆机器人为例,验证了理论分析的正确性。     

机器人手臂的刚柔耦合建模及摆动模态对比

以机器人柔性手臂为对象,基于Jourdain变分建立了刚柔耦合动力学模型;通过假设模态法将物理坐标变换成模态坐标,对动力学方程进行解耦。参考人体参数,利用ADAMS建立了虚拟样机模型,设计了形函数矩阵。在MATLAB中编写了方程求解算法。对比了ADAMS和MATLAB对柔性手臂转角的仿真。针对碳纤维、铝合金、聚乙烯和聚丙烯4种材质手臂仿真重力作用下的摆动运动,绘出了末端横向变形位移和频谱图;量化分析了变形量和模态。结果表明随着弹性模量与密度的比值增大,手臂固有频率增大,横向变形位移减小;碳纤维材质可近似建模为刚体;碳纤维和铝合金适合做手臂机构;聚丙烯材质刚度和柔顺性较好。