基于SEA的机器人仿肌弹性驱动关节研究

为了实现机器人的拟人运动,提高其对外部环境的适应性,基于串联弹性驱动器(SEA)驱动形式提出一种仿肌弹性驱动的机器人转动关节,以实现机器人在受迫振动或受冲击下的柔顺自调整运动。该关节机构参考人体肌肉-肌腱组织的Hill-type模型,采用具有对抗形式的主动弹性驱动和被动弹性牵制的设计方案,模拟肌肉收缩运动和功能,产生牵拉力以驱动机器人的关节。通过对该弹性驱动关节进行建模分析,得到其动力学描述方程,结合多次仿真测试中获得的系统运动特性曲线,在掌握其运动规律的基础上完成了其动力学性能评估。此外,针对关节机构具有的强弹性、低刚度特点,提出一种基于虚拟刚度补偿的控制方法,并应用在具有仿肌弹性驱动关节的二自由度机器臂上,实验结果表明其可行、有效。     

一种基于弹簧片的可变刚度关节

随着机器人环境友好、安全可靠的发展趋势,可变刚度弹性驱动关节成为了研究热点。变刚度弹性驱动关节能够缓冲碰撞,消除机械震荡,提高机器人对人和环境的安全性。提出了一种以弹簧片为弹性元件的变刚度柔性关节,可以在一定范围内调节其刚度,并建立了关节的数学模型,推导了关节刚度计算公式,实现了刚度的调节控制。     

基于永磁弹簧的变刚度关节驱动器设计

提出一种基于永磁弹簧的变刚度机器人关节驱动器,采用蜗轮、蜗杆驱动绳索调整永磁弹簧气隙间距,实现驱动器变刚度控制;分析基于绳索-永磁弹簧组的关节驱动器变刚度原理并进行结构设计,对变刚度收线蜗轮、蜗杆结构参数进行设计计算.     

含弹性环的机器人关节变刚度驱动器设计分析

针对机器人与人共享工作环境所带来的人机交互安全问题及工作能耗大、效率低等问题,提出了一种含有弹性环的机器人关节变刚度驱动器;运用解析法分析了弹性环的刚度特性,得到其理论最大偏转角为1.5°;通过碰撞和抛球实验验证了所设计的关节驱动器的实际缓冲和储能效果;结果表明:所设计的含有弹性环的机器人关节变刚度驱动器具有良好的吸收冲击的能力,最大偏转角约为1.7°,可有效保护碰撞发生时的人机安全。同时,储能效果明显,可提高能量使用效率。     

基于永磁弹簧-摆动导杆的变刚度机构力学特性研究

提出一种可用于变刚度关节驱动器的永磁弹簧-摆动导杆变刚度机构,采用轻质绳索牵引改变永磁弹簧气隙间距及初始刚度,同时利用摆动导杆机构运动改变内外圈相对转动所需扭矩大小。分析了变刚度机构的刚度调节机理,阐述了变刚度机械结构。通过永磁弹簧气隙间距-磁力实验结果获得永磁弹簧刚度模型,并根据变刚度机械结构建立的静力学模型分析了机构的力学特性。通过Matlab数值仿真,结果表明永磁弹簧初始刚度对弹簧压缩量及导杆转角的影响规律。根据永磁弹簧与定刚度线性弹簧的绳索拉力变化,对比结果表明采用变刚度永磁弹簧可以进一步增加绳索的拉力变化范围,即可以有效增大机构的刚度变化范围。     

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。     

机车车辆用橡胶弹簧的静动态性能分析

通过选用合适的橡胶本构模型,用有限元数值方法对不规则大变形的橡胶弹性元件进行了分析,充分考虑橡胶和钢板直接的接触以及耦合,得到了橡胶元件的载荷一位移曲线,并计算出等效刚度,与实际情况相符.采用超弹性材料模型对橡胶弹簧进行了有限元数值冲击的定性分析,得出其动刚度的变化情况,为今后橡胶弹簧进一步研究打下基础.     

一种扭簧变刚度柔性关节的设计与研究

变刚度关节由于其固有的柔性特征,可实现人与机器人在非结构化环境下的安全交互.针对扭簧扭转时中径发生改变提出了一种具有非线性刚度的紧凑型柔性关节,并满足常用的力作用情景"小载荷,低刚度;大载荷,高刚度".首先,给出柔性关节模型,采用扭簧以及开口套作为基本弹性元件,通过调节螺母滑块的位置,使钢球挤压开口套并改变扭簧中径,实现对关节的刚度调节.其次,结合弹性变形理论,分析描述了柔性关节中弹性元件的力学本构方程和截面应力分布规律,得到关节的转角、扭矩及刚度间的关系.最后,根据关节转动不同角度以及施加不同载荷以获取扭矩与刚度变化的仿真数据,结果表明该柔性关节的设计是有效的,同时,可为研究该类扭簧变刚度的力学行为提供理论参考.     

轮式移动宜人机器人可变刚度腰部机构设计

轮式移动宜人机器人是一个仿人机器人技术研究平台,它由正交轮式移动平台、腰部、双臂、躯干及头部组成。仿人机器人腰部的构成对其运动学、动力学性能起着重要的作用。分析了目前仿人机器人腰部机构存在的问题,提出了一种具有可变刚度特征的仿人机器人腰部设计方案。设计方案使仿人机器人具有良好的柔顺性,提高了机器人与人协作时的安全性、稳定性和抗干扰能力。着重分析了腰部机构的运动学、动力学以及可变刚度特性。     

基于压电陶瓷驱动的并联微动机器人静力学及其微动平台的静刚度分析

并联微动机器人通过弹性铰链的弹性变形实现终端平台的微运动,静力学和静刚度是微动机器人必须解决的问题。充分考虑弹性铰链的弹性反力/力矩,对6-PSS并联微动机器人进行静力学分析,建立了压电陶瓷驱动力与微动平台外载的关系模型,并定义了微动机器人的驱动刚度矩阵。基于并联微动机器人的特殊性,定义了微动平台的刚度,通过静刚度分析推导出了微动平台刚度矩阵,为并联微动机器人结构刚度设计、弹性铰链刚度综合和动力学分析提供了理论基础。