网络式气动软体驱动器设计、制造与实验

采用硅胶材料设计了一种网络式气动软体驱动器,软体驱动器在通气条件下可实现弯曲变形。设计了驱动器模具,并制作了驱动器样机,进行了驱动器静力学实验与有限元仿真。结果表明：软体驱动器具有较好的柔性和灵活性,最大弯曲角度可达到323°。该研究为软体驱动器的进一步应用奠定了基础。     

用于康复训练的分段式气动软体驱动器

针对手指康复训练中软体驱动器贴合度低、灵活性差、运动传递不准确等问题,基于仿生原理设计分段式气动软体驱动器. 通过3个具有锯齿结构半波纹管气囊实现软体驱动器的分段弯曲,嵌入柔性应变传感器实现软体驱动器本体感知. 建立半波纹管气囊弯曲变形数学模型,借助有限元分析对半波纹管气囊进行分析,研究壁厚、波纹宽度、波距和波纹数目对该气囊弯曲性能和末端输出力的影响,选取软体驱动器尺寸参数. 采用3D打印技术及失蜡铸造工艺,制作分段独立驱动的软体驱动器. 特性测试结果表明：分段式软体驱动器最大弯曲角度为302°,末端输出力为3.33 N,能够带动手指进行分关节康复训练,内嵌的柔性应变传感器可以实时监测软体驱动器弯曲状态.     

气动软体驱动器的设计

根据人手指外骨骼关节结构,提出硅胶多腔体仿人柔性关节,设计了一种用于手部康复机器人的气动软体驱动器,详细阐述了驱动器的制作流程。采用Abaqus软件对软体驱动器进行有限元仿真,给出不同气压下的仿真图形。仿真结果表明,提出的软体驱动器的理论模型与实验数据基本吻合,相对于其他结构,整体的稳定性,抓取能力更强,为以后仿人柔性机械手的应用提供了支撑。     

颗粒驱动软体驱动器设计及FEM-DEM运动分析

颗粒物质具有流动传压和阻塞刚化的双相特性,是变刚度软体机器人的理想驱动介质.由于颗粒物质复杂的力学特性,颗粒驱动软体机器人运动预测极具挑战性.综合考虑颗粒物质的离散性和超弹软体型腔的连续性,本文提出了一种基于FEM-DEM耦合计算的软体驱动器运动分析方法.为降低颗粒充入软体型腔时的局部径向膨胀,设计了具有径向增强约束的弯曲驱动器软体型腔结构.利用FEM-DEM耦合计算方法对此驱动器的运动变形规律进行了分析,同时采用基于颗粒物质Mohr-Coulomb连续介质模型的FEM开展了对比计算.利用3D打印和硅胶浇注技术制造驱动器样机,测试了软体驱动器的运动特性及变刚度能力.研究结果表明:与基于Mohr-Coulomb模型的FEM相比,利用FEM-DEM耦合计算方法,可使驱动器弯曲角度的预测精度提高约14.3%;使用较小直径的颗粒介质可以提高机器人的变形能力;与前期研究中的原始方案相比,本文提出的径向增强约束驱动器在不削弱刚度调节能力的前提下,最大弯曲角度从48.9°提升至了72.7°.     

基于草莓轮廓曲线的单指软体采摘抓手设计与优化

针对草莓采摘过程中的无损抓取作业需求，改进传统三指软体抓手的结构，基于草莓外部轮廓曲线设计新型单指软体抓手. 基于Abaqus仿真软件对单指抓手完成结构优化，提升弯曲性能，实现软体抓手的完整包裹效果. 改进制造工艺，有效提升单指抓手的重复使用率和安全性. 利用高速摄像机和动态捕捉技术，分析单指抓手上下端面的弯曲变形规律. 测试草莓表面的最小破坏应力和单指抓手的末端力，验证了无损抓取的可行性. 将单指抓手安装在机械臂上进行草莓抓取测试，在模拟草莓自然生长状态时，抓取成功率为80%，破损率为7.5%. 结果表明，气动单指软体抓手可以实现草莓的无损抓取.     

基于光纤传感技术的扭矩测量方法研究

提出了一种扭矩测量的方法,并建立了新型扭矩测量结构的理论模型。利用差模原理,使光纤的变形更加敏感,提高测量精度。应用仿真软件对设计的扭矩测量结构进行有限元的仿真分析,通过软件拟合出扭矩和变形量之间的数学模型,并对仿真分析结果进行了精度分析。结果表明:结构变形量引起的光纤长度变化与扭矩输入之间呈良好的线性关系,且由结构及温度引起的扭矩测量误差不大于±0.294N·m。     

面向人机交互的机器人变刚度柔性驱动器设计与分析

针对传统的高刚性机器人已无法满足人机交互安全性和复杂环境自适应性的不足之处,利用磁流变液的磁流变效应,提出并设计了一种新型的用于机器人关节的变刚度柔性驱动器。详述了柔性关节驱动原理,设计了驱动器的结构并进行力学分析,同时利用磁场仿真软件Maxwell进行驱动器的磁场分析。最后对驱动器性能进行仿真分析和实验验证,对比分析结果表明该驱动器具有结构简单、易于控制、更宽的主动变刚度调节范围的特点,并且能够吸收振动或者冲击带来的能量,提高了机器人的关节输出能力。     

行星牵引传动的行星轮弹性设计与分析

采用中空弹性行星轮结构,通过行星轮的弯曲弹性变形提供传动副之间的压紧力。对中空弹性行星轮进行力学分析,计算出最小压紧力,并建立应力、应变的数学模型。运用AN-SYS Workbench有限元分析软件建立有限元模型,通过分析行星轮壁厚与径向变形量、等效应力的关系,得到了最佳行星轮壁厚。为检验中空弹性行星轮的可靠性,对其进行动态仿真,仿真结果验证了所设计的中空弹性行星轮是一种合理可靠的结构。     

一种用于康复机器人手指的软体致动器设计

针对手部运动功能障碍的患者康复问题,设计一种用于可穿戴式康复机器人手指的软体致动器。该软体致动器由具集成通道的弹性材料制成,内部为密集分布的三角形非充气腔室和菱形充气腔室,两种不同功能的腔室间隔分布,且充气腔室之间有通道连接。对于该软体致动器设计,首先在ABAQUS中进行变形仿真分析,验证其可行性;然后,采用3D打印技术等制作软体致动器实物并在搭建的实验平台上进行实验。结果表明,设计的软体致动器整体结构合理,可较好地实现手指0～90°弯曲运动,弯曲角度通过气压进行调节,能够满足手指关节运动及韧带拉伸的康复训练需求。     

一种新型弯曲关节的建模研究

提出了一种新型的弯曲关节。在一定压强的流体作用下，讨论了弯曲关节的径向变形和轴向变形。建立了流体压强与弯曲之间的静态模型，基于悬臂梁模型，给出了弯曲关节的挠度与流体压强之间的动态模型，在对弯曲关节进行仿真的基础上，讨论了外部结构参数对其动态特性的影响，仿真结果表明，通过选择合理的结构参数，可以使弯曲关节具有很好的动态特性。     

压电双晶片型旋转精密驱动器动态特性和控制

提出了以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的新型冲击式旋转精密驱动器.制作了驱动器样机,建立了基于Lugre摩擦模型的驱动器动力学模型.对驱动器动态特性进行了仿真分析和实验对比研究.根据驱动器的动态特性,提出了冲击式压电双晶片型精密驱动器特定的定频调压控制方法.仿真分析结果和实验结果吻合较好,表明该动力学模型符合驱动器的动态特性,可用于对冲击式压电双晶片型旋转精密驱动器的理论分析.     

基于水压直驱的软体单元的动静态特性

提出水压直驱纤维增强软体单元,采用伺服电机驱动水压缸实现软体运动控制,搭建试验台开展软体单元动静态特性研究. 针对软体单元输出力、径向膨胀、弯曲角度及刚度等性能开展静态试验. 结果表明,软体单元驱动压力为影响输出力和弯曲角度的主要因素;当输入压力增加时,软体最大径向膨胀速率为3%;当输入压力为0.3 MPa、末端位移为4 mm时,水压驱动输出力为4.3 N,与气压驱动相比,软体刚度增加0.025 N/mm. 建立水压直驱软体单元动力学模型,围绕软体单元弯曲角度、压力响应进行仿真分析及试验验证. 结果表明,水压直驱软体单元模型仿真与实测结果较吻合,弯曲角度稳定误差为1.70%,驱动水压稳定误差为0.33%. 研究成果表明采用水液压驱动软体机器人可提高其性能.     

基于ABAQUS的天线塔受风载影响分析

天线塔在强风载的作用下会产生弯曲,甚至会造成结构的破坏,采用ABAQUS有限元分析软件对天线塔进行建模,建立天线塔梁结构仿真模型,并对模型进行分析,得到天线塔的结构应力及变形分布,最后对不同风载作用下天线塔的应力及变形量进行比较,结果表明本天线塔结构具有良好的抗风能力。     

高精度压电步进直线驱动器

提出一种以压电叠堆为驱动动力源的新型精密直线驱动器方案。定子采用柔性铰链双侧对钳方式交替对动子起到钳位作用。对驱动器工作原理进行了分析研究,建立了机械系统的数学模型。采用MSC Patran/Nastran软件对机械结构进行了仿真分析,并对所开发的驱动器样机进行了实验测试。测试结果与理论分析结果基本相符,样机的运动速度可达1.52mm/m in、单步最小位移(运动分辨率)为3.35 nm。驱动器性能稳定可靠,可望在精密工程等相关领域得到应用。     

尺蠖型压电旋转驱动器的静动态特性研究

提出一种以压电叠堆为动力转换元件基于尺蠖驱动机理的精密旋转驱动器方案,驱动器定子上的传动单元均采用直角柔性铰链,对柔性铰链力学特性进行了分析,并建立了柔性铰链空间力学模型.对驱动器工作原理进行了分析,采用MSC Patran/Nastran软件对机械结构进行了仿真分析;并对所开发的驱动器样机进行了实验测试.测试结果与理论分析结果基本相符,所开发的驱动器样机具有定位精度高(单步绝对误差率<2%),性能稳定、可靠等优点,可望在超精密加工、精密光学等领域得到应用.     

平行连杆式变形翼结构设计及分布式驱动配置

为提高飞机飞行效率和多任务适应能力,设计一种兼顾高低速工况的变形翼骨架,并研究变形翼内部分布式驱动器的位置优化和数量布置问题。基于翼肋摆动变形方式,设计变弦长、变后掠、变面积、变展弦比的平行连杆式变形翼机构,以单元尺寸为参数,对翼肋摆动程度与展弦比进行分析,得到机翼参数变化曲线;以包含机翼骨架、驱动器和柔性蒙皮的单元为研究对象,通过实验法测定柔性蒙皮的等效弹簧刚度,并基于虚功原理,采用准静态力学分析方法,得到单元的力学模型,以单元变形量为目标优化函数,通过matlab优化工具箱fmincon函数求解,得到最优驱动器位置和蒙皮初始状态,并进行实验验证;采用Ansys软件模拟多个单元机构运动与弹性变形的耦合作用,得到多种驱动器布局下机构的最终平衡状态;设计了变形翼详细结构,完成了样机加工装配。结果表明:机翼平衡时的变形量与驱动器布局和结构刚度有关,当机翼结构刚度增强时,分布式驱动与单个驱动所做的变形量均收敛在理想值。采用分布式驱动会最大化变形量,更适合低刚度结构机翼,设计的变形翼样机可以实现连续变形。     

基于ABAQUS的气动软体径向膨胀驱动器结构优化 #br#

采用ABAQUS有限元分析方法对径向膨张驱动器径向膨胀量进行了结构优化，基于Yeoh本构方程建立驱动器本体硅胶材料模型进行静力学试验与仿真试验验证其材料模型的正确性，利用ABAQUS有限元分析软件对五个结构设计因素进行了仿真分析，分析各结构因素对其径向膨胀量的影响，确定其最佳设计方案；结果表明：限制层厚度c、形变层厚度b、气室高度h、圆角R是影响其膨胀量的关键因素，最佳设计参数为限制层厚度4mm、形变层厚度2mnm、气腔数量4、气室高度12mm、圆角8mm。     

基于ABAQUS的波纹管建模与仿真分析

利用ABAQUS软件对超弹性硅胶材料的波纹管进行建模,并对其内部充气加压模型进行有限元仿真分析.分析了不同波纹管壁厚对加压后的应力、轴向伸长和径向膨胀的影响.仿真结果表明:波纹管波峰处壁厚越厚,对其径向和轴向变形的约束能力越强,在薄壁情况下,加压后波纹管会存在约束不足而导致失稳的情况.该研究为波纹管在气动人工驱动器变形...     

磁致伸缩驱动器的结构设计与输出特性研究

基于Fe-Ga磁致伸缩材料,设计了一种新型结构的磁致伸缩驱动器.基于材料的磁化模型,应用有限元软件和模态分析技术研究了驱动器的输出特性.研究发现,当对驱动器的2个驱动线圈通入反向电流时,驱动器在径向的谐振频率为1 000 Hz,在谐振频率处的径向输出位移为52 m,轴向输出位移为1.7 m.对磁致伸缩驱动器的2个驱动线圈施加同向电流时,驱动器在轴向的谐振频率为7 808 Hz,在谐振频率处的轴向输出位移为14 m.通过实验研究了磁致伸缩驱动器的输出特性,结果表明实验与仿真计算结果基本一致,证明研制的驱动器具有实用价值.     

一种新型灵巧手的设计与仿真分析

为了提高BHG-1型灵巧手的自适应性和拟人化,设计了一种欠驱动手指机构,以较少的驱动器数目获得较多的自由度,降低装置对控制系统的要求。采用拉格朗日方程建立了2自由度欠驱动手指的动力学模型,并利用Adams软件对其进行了动力学的仿真与分析。