内窥检查机器人柔性移动机构设计

根据蚯蚓蠕动原理，设计了用于肠道检查的内窥检查机器人移动机构，并进行了实验测试。蠕动式柔性移动机构除了实现移动功能外，还可通过充气膨胀的橡胶囊在机器人与肠道之间建立一个柔软的安全缓冲层，以避免在机器人运动过程中对人体内部软组织造成的擦伤和拉伤。     

胶囊机器人活检机构的研究

分析了利用胶囊机器人实现组织活检功能的问题。针对现有胶囊机器人活检机构采样成功率低的问题,研究提出了一套新的利用胶囊内镜机器人实现胃肠道组织采样的方案,设计了一种新型的胶囊机器人活检机构,通过上位机下发无线指令控制胶囊机器人内部控制电路板对电阻丝供电,电阻丝发热烧断熔断丝,从而释放扭簧带动活检爪进行胃肠道组织采样。结果表明,该机构尺寸小,可对胃肠道同一位置进行多次采样,能很好的集成到胶囊机器人中,并且具有很高的可靠性。     

可调刚度致动器结构研究综述

可调刚度致动器具有本质安全性、高能效以及高动态特性,可以满足新一代机器人在物理性人机交互及高动态运动任务中的性能需求。根据刚度调节原理的不同,对常见的可调刚度致动器进行了分类,并分别对其刚度特性及调节范围、承载能力、变形能力以及储能能力进行了分析,然后对比和总结了各种刚度调节机构的性能特点。研究者在设计新装置时可以参考这些信息,根据自身应用需求以及不同种类刚度调节方式的性能侧重方向的不同,选择并设计合适的可调刚度致动器。对可调刚度致动器的现有结构存在的问题做出分析和讨论,并对其未来的发展方向做了展望。     

康复机器人PVDF柔性关节设计与驱动特性研究

针对康复机器人本体柔顺性差的问题,提出了一种新型的聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride,PVDF）凝胶基人工肌肉,将其作为康复机器人柔性关节致动器,期望实现类人动作。介绍了PVDF凝胶制备和电致变形机制,并由此设计了具备收缩和伸张功能的单体肌肉,进而将多个单体肌肉上下串联,组合构成层级人工肌肉;基于康复机器人柔性关节3层级人工肌肉,辨识其驱动数学模型,并进行了仿真与实验。结果表明,该人工肌肉能够有效地实现位置控制,具备电致收缩和扩张能力,作为致动器应用于柔性关节是可行的。     

基于位移传递机构的超磁致伸缩致动器磁场分析

为放大超磁致伸缩致动器的位移,设计了位移传递机构以叠加致动器中超磁致伸缩棒和筒的输出。针对该致动器中棒和筒的磁场分布问题,基于有限元法建立了磁场强度的计算电磁学模型,并利用ANSYS软件进行了仿真。通过仿真得到了棒和筒上任一点磁场强度,并基于一种新的平均化方法确定了截面磁场强度平均值;最后得到位移传递机构取不同磁导率时棒和筒上磁场强度的轴向分布规律。     

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。     

胶囊内窥镜在肠道中的钳位

由于胶囊内窥镜的有效钳位是实现其在肠道中有效驻停及运动的重要因素,本文研究并设计了胶囊内窥镜的钳位机构.首先,基于对摩擦力和肠道形变的分析,讨论了影响钳位力的因素.考虑肠道安全性,设计了阿基米德螺线腿机构.然后,通过构建离体肠道测试平台,测试不同直径、宽度、纹理及形状的样本在肠道内的钳位特性;分析实验结果,并建立了可定性描述钳位力的方程.最后,基于电流反馈实现钳位机构的安全控制;通过离体实验测试了钳位机构运动性能,并验证了钳位机构的安全性和可行性.实验结果显示,优化后的螺线腿钳位机构的钳位力达1.486 N;可较好地适应肠道的生理环境,满足扩展肠道、安全钳位的要求.     

用于微隔振平台的压电致动器设计与研究

为实现微隔振平台的自适应控制,选择具有驱动和传感功能的压电陶瓷设计了一种驱动器.从其本构关系出发,对单片压电陶瓷进行了分析,在此基础上建立了压电堆动态模型.设计出的压电致动器,不仅具有驱动与传感功能,而且具有简单、易加工等特点,然后通过试验研究,对压电致动器的预压进行了标定,并选择了合适的预压弹簧,完成了对致动器的成品化.最后对压电致动器的迟滞、线性、重复性进行了初步研究,为微隔振平台的控制打下了基础.     

肠道驻留机构的设计和实验

研究并设计了一种微型肠道驻留机构以实现胃肠道机器人在人体肠道特殊环境下的有效驻留。该驻留机构采用径向伸出三组腿的方式实现扩张,扩张后三组腿仍然处于封闭状态,从而有效降低了肠道组织被夹住的风险。对驻留机构与肠道之间的相互作用进行了建模分析,并将驻留机构的驻留力分为库伦摩擦力和边缘阻力两部分,分析了其产生机理。通过实验测试了驻留机构的扩张力以及驻留力。实验结果表明:驻留机构的扩张力与理论分析较为接近,驻留力大小与肠道直径、驻留腿扩张直径以及驻留机构速度有关。当驻留腿的扩张直径为20~26mm时,驻留力大小为0.15~0.4N;当驻留腿扩张直径大于26mm时,驻留力迅速增加,为0.5~1.8N。设计的肠道驻留机构体积小、安全,可较好地适应肠道的生理环境,并为肠道诊疗微型机器人驻留机构的设计提供了一种新的思路。     

主动调节刚性支撑薄膜型反射镜面形调整机构的研究

空间光学的发展对光学系统的轻量化提出越来越高的要求,作为一种超轻量化的方法,介绍了主动调节刚性支撑薄膜型反射镜的概念,这种薄模型反射镜由美国率先提出,并制造出口径500mm厚2mm的模型镜,反射镜的面形通过均匀分布的致动器的微量移动来调整,致动器的最小位移是20nm.美国使用压电陶瓷做致动器,有利于实现系统的轻量化.在试验阶段,设计一套机械微动装置来代替压电陶瓷做致动器,它的微动原理是利用杠杆减速机构及球面上的不同点的矢高变化来得到所需要的微位移,这套机构具有结构简易,重量轻,易于加工制造的特点,同时具有较高的灵敏度.