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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

多腔体式仿生吞咽软体驱动器的设计与制作

设计了一种软体仿生吞咽装置,其具备仿人的结构尺寸、材料性能及收缩扩张的波状蠕动运动特性,可作为食道运动机理及微型机器人在食道内驱动研究的实验平台,也为改善吞咽障碍患者吞咽安全性的研究提供了新的思路。首先,提出了环形多腔软体驱动食道的结构,并通过仿真对结构参数进行了优化,提高了结构的响应性能;其次,利用3D打印技术制备带有环形腔体的软体驱动器的浇注模具,注入混合好的液态硅胶,获得硅胶材料的软体驱动器;最后,设计研究软体驱动器气压与响应特性的试验系统,并对制备的软体驱动器进行通气实验,实验数据和仿真数据高度吻合,验证了软体仿生驱动器优化设计方法的有效性。     

一种基于连杆机构的机械手指结构运动分析与优化

针对机械手设计环节中存在的运动学分析与优化复杂的难点,提出一种基于连杆机构的机械手指结构。概述了该手指的运动特点,计算得到了指根节绕关节点所转角度与驱动器伸长量的关系式,应用CREO软件构建了类似于机构运动简图的骨架模型,并在机构分析模块中分析了指根节的运动学特性,验证了运动学模型的正确性。利用骨架模型的优化分析功能,以指根节转角最大值与最小值之差最大为优化目标,在给定驱动伸长量范围的基础上,优化了敏感度较强的杆件尺寸参数。     

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。     

气动软体爬行机器人驱动方式的分析与实验

为研究基于蠕动原理的仿生爬行机器人运动,以气动弯曲驱动器和伸长驱动器为机器人主体,设计了一种软体爬行机器人。针对爬行机器人在平面及管道中的运动,根据爬行机器人的力学特性和运动过程中摩擦力与驱动力之间的关系,分析了爬行机器人实现爬行运动的条件,提出了爬行机器人驱动方式。通过实验,验证了所提出的驱动方式能够实现软体爬行机器人的移动,为今后软体爬行机器人的研究及应用提供了基础。     

面向手功能康复训练的软体机器人设计

为解决现阶段软体机器人与人手贴合较差、自由度不够、驱动力小等问题,设计了一种带有双向弯曲模块和伸长模块、可实现多个自由度独立或耦合运动的软体机器人.利用有限元仿真分析方法建立了软体驱动器模型,融合多种柔性材料,保证驱动器可以提供足够大的驱动力.利用传感器实现了对弯曲特性的跟踪.实验验证表明:该软体机器人可以完成抓握训练...     

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。     

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。     

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。     

一种新型软体驱动器的设计与研究

现有软体机器人的驱动器结构大多为纤维增强型和多腔体型,针对此类软体驱动器存在的问题,开展新型软体驱动器的研究.首先介绍了新型软体驱动器结构的设计思路,为进一步研究结构的合理性,进行了基于Yeoh模型的软体驱动器弯曲特性理论的分析,得到曲率半径与充气压强之间的数学模型,并通过软体驱动器的制作和实验平台的搭建对理论模型进行验证,证明了结构模型的正确性.     

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。     

基于视觉的软体气动驱动器变形观测与仿真分析

软体气动驱动器常被用作为软体抓手,但在抓取质量较大的物体时常常因为反作用力产生变形而导致抓取失败。针对这一现象,文中提出一种基于视觉的软体气动驱动器变形观测方法。文中利用相机记录软体气动驱动器在不同气压下作用下的弯曲变形图片,使用视觉处理的方法提取出驱动器的变形曲线以便更准确地观测驱动器的变形。使用有限元仿真软件ABAQUS对驱动器在不同气压作用下的变形进行仿真分析并提取变形曲线。实验曲线和仿真曲线的相似度的对比结果表明,基于视觉提取驱动器变形曲线的方法可以更加准确地观测驱动器的变形。     

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。