Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator (FPA), bending joint and side-sway joint, a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed. The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders. Mechanical parts and FPAs are integrated, which reduces the overall size of the finger. Driven by FPA directly, the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced. An improved adaptive genetic algorithm (IAGA) was adopted to solve the inverse kinematics problem of the redundant finger. The statics of the finger was analyzed and the relation between fingertip force and joint torque was built. Finally, the finger force/position control principle was introduced. Tracking experiments of fingertip force/position were carried out. The experimental results show that the fingertip position tracking error is within ±1 mm and the fingertip force tracking error is within ±0.4 N. It is also concluded from the theoretical and experimental results that the finger can be controlled and it has a good application prospect.     

Development and control of flexible pneumatic wall-climbing robot

A new kind of flexible pneumatic wall-climbing robot, named WALKMAN-I, was proposed. WALKMAN-I is basically composed of a flexible pneumatic actuator (FPA), a flexible pneumatic spherical joint and six suction cups. It has many characteristics of low-cost, lightweight, simple structure and good flexibility. Its operating principle was introduced. Then three basic locomotion modes, which are linear motion, curvilinear motion and crossing the orthogonal planes, were presented. The safety conditions of WALKMAN-I were discussed and built. Finally, the control system was designed and experiments were carried out. Experimental results show that WALKMAN-I is able to climb on the vertical wall surface along a straight line or a curved path, and has the ability of crossing orthogonal planes and obstacles. The maximum rotation angle reaches 90°, the maximum velocity reaches 5 mm/s, and the rotation angle and the moving velocity of WALKMAN-I can be easily controlled.     

气动人工肌肉驱动的类人关节研究

Mckibben气动人工肌肉是一种由气压激励的运动引擎,它可以输出足够的拉力,并具有一定的柔顺性.建立了一个新的机器人肘关节,关节结构由人类肘关节演变而来,由两条对抗设置的Mckibben气动人工肌肉驱动,肌肉对的伸缩运动导致关节旋转;分析和计算了关节角度和人工肌肉收缩长度间的关系,以及最大旋转角的几种可能情形,推导出最大可能旋转角度,讨论了关节结构参数对最大旋转角度的影响,并把该机器人关节和人类关节进行了比较.     

力反馈数据手套的角度测量

为解决力反馈数据手套手指弯曲角度测量精度低的问题,研制一种面向虚拟制造和装配,以气动人工肌肉作为驱动器的力反馈式数据手套.介绍力反馈数据手套的整体结构,基于平面四连杆运动的确定性原理,建立手指关节弯曲角度的测量模型.采用非接触测量物体位置的方法进行角度测量.介绍磁阻传感器的测量原理及误差校正方法.以食指PIP关节为例测量关节的弯曲角度,实验结果表明,测量精度为1.6%,满足数据手套的应用要求.本研究为建立人工肌肉驱动模型,使力反馈数据手套真正应用到虚拟制造及装配打下了理论基础.     

气动人工肌肉关节的建模与仿真

为降低传统气动系统的成本，设计了气动人工肌肉(PMA)驱动的单自由度(DOF)运动关节系统.在研究PMA和脉宽调制(PWM)高速开关阀特性的基础上，建立了系统的多输入4阶仿射非线性数学模型.仿真分析了系统在不同输入控制量下的静、动态输出特性，并分别研究了摩擦力、负载、气源压力和工作容积4个主要因素对系统特性的影响.仿真结果表明，该系统开环稳定，且不论摩擦力存在与否，系统输入输出都存在着良好的静态线性关系，但静摩擦力影响稳态输出值，增加负载或减小气源压力都将引起系统超调和震荡加剧，而减小PMA内部的工作容积可以提高系统响应.     

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.     

气动柔性关节六足机器人腿关节提升机构设计与仿真

针对气动柔性关机六足机器人腿部关节提升高度小,越障能力差的问题,设计了一种基于平行四杆机构的腿关节提升机构。搭建了运动学实验平台,并对样机进行运动学实验研究。实验结果表明：该提升机构能够有效的将腿部关节提升高度增加19mm,使机器人越障能力扩大为原来的1.63倍,为气动柔性关节六足机器人的研究奠定了基础。     

气压膝关节机构的设计

根据气压膝关节机构优化后的结构尺寸 ,对气压膝关节进行结构设计 ,并对气压控制元件依据规范进行合适的选用。根据正常人膝关节肌肉力矩的变化曲线 ,利用气控原理 ,确定气缸的正确安装位置 ,以满足摆动相的动态性能。     

气力容器式管道产品收发柜部件通气试验

提出了气力容器式管道产品的重要部件收发柜的密封性试验和通过性检验的新方法。经过论证分析，认为漏气产生的噪声可以在收发柜装配完毕后的检验中，通过增加通气试验，准确判断出噪声产生的部位后，采取相应的措施加以预防。试验压力是最重要的技术参数，应模拟实际输送过程中的气流压力，运用气体动力学原理，按实际运行参数计算出系统的总压力损失后，确定试验压力为0.05MPa。异常杂音是收发柜内收发装置联结处的微小错位直接影响容器的顺利通过造成的，设计制作的专用辅具有效地保证了焊接装配质量。以上方法可推广到类似产品的试验、检验与质量控制中去。     

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.     

气动柔性五指机械手运动空间与抓取实验研究

设计了一种气动柔性五指机械手,采用单驱动型和多驱动型单向弯曲柔性关节作为单自由度手指关节,可完成多自由度抓、握、捏等人手灵活动作;搭建机械手运动学实验平台和抓取实验系统,利用3D运动捕捉系统,得到了机械手各手指运动空间,机械手可稳定抓取日常生活中不同外形和质量的物体,验证了其有类似人手的抓取能力。实验结果表明：机械手各手指基本完成了设计要求,实现各自抓取功能,具有良好的柔顺性和适应性。     

基于实验方法的硅胶圆管柔性关节静力学研究

采用两种不同材料的硅胶管和弹性骨架制作了柔性关节,对其进行静力学实验,得出了在相同气压下的弯曲角度和夹持力,并建立了柔性关节形变模型,获得了其气压下的形变特性。研究结果表明: 硅胶胶管邵氏硬度越小,其剪切弹性模量和弹性模量越小,其硅胶管制的柔性关节柔性和力学特性越好。该研究为弹性硅胶管在气动人工驱动器的应用进一步研究奠定了基础。     

引进厂气力压运系统测试结果分析

本文通过对引进意大利奥克里姆公司设备的4个厂的13条气力压运系统的全面测试,摸索出气力压运系统独特的测试方法;整理出大量的宝贵数据、图表及分析结论,对当前粮食行业正在渴望得到的气力压运设计方法的产生将有一定推动作用。特别是在工厂设计中,对面粉气力压运系统的设计、计算有可信的类比性。相信本文的测试结果会对气力压运的研究、应用推广有所促进。     

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。     

手指静脉图像感兴趣区域提取方法研究

研究了一种手指静脉感兴趣区域(ROI)的定位与提取方法,以解决手指在采集静脉图像时的随机运动对手指静脉识别结果的影响。通过计算手指轮廓线的主方向和末节关节腔位置对手指摆放位置的随机变化进行校正,并初步定位分割出手指静脉感兴趣区域。运用迭代优化方法实现手指静脉感兴趣区域分割结果的精确提取。在小型数据集上进行实验的结果表明:该方法得到的感兴趣区域具有较好的聚类特性。说明该方法能够有效地从同一手指姿态变化的多幅静脉图像中定位并分割出相似度较高的感兴趣区域。     

缓冲气缸缓冲特性建模与仿真

在对缓冲气缸运动过程分析的基础上,采用非线性微分方程组形式建立了缓冲气缸的非线性模型,并利用计算机仿真技术,对缓冲气缸在缓冲过程中缓冲腔的压力变化进行了仿真、分析,找到影响其特性的参数.这对了解缓冲气缸的全面性能、缓冲结构改型以及优化设计缓冲气缸系统提供了重要依据.     

基于FluidSIM-P的极片检测气动控制系统

基于气动控制技术与仿真技术开发了极片检测自动送料机构的气动控制系统,根据在线检测极片的节拍式送料工作原理,利用FluidSIM-P软件设计及优化了自动送料机构的气动回路,并设计了PLC控制系统,实现了自动送料机构的可靠控制。目前该设备已投入使用,在极片的自动检测中取得了很好效果。     

虚拟现实灵巧手姿态力度控制算法与仿真

针对灵巧手虚拟现实的控制,提出了数据手套控制手指关节角度,肌电信号进行抓取力度控制的方法.建立了虚拟现实灵巧手模型,根据神经网络算法实现前臂肌电信号对抓取过程中的拇指尖力预测.实验改变拇指接触状态,预测力模型与实际力度对比,验证模型的有效性.该研究可用于智能假肢控制及上肢康复训练、遥操作机器人等领域.     

医用复合柱塞泵

本文介绍一种体积小、工作稳定、效率高、结构紧凑的复合柱塞泵,用于子宫内膜去除术的子宫热球治疗仪,解决治疗枪同时需要气动正压驱动和气动负压驱动,驱动系统必须具有气动和真空两个回路而致使结构较为复杂、安装维护不便、稳定性差的问题。该复合柱塞泵也可为其它同时需要气动正压和负压混合动力的仪器、设备提供动力。     

气动肌肉驱动关节轨迹跟踪的自适应鲁棒控制

设计了一种简单、经济的单根肌肉关节驱动上肢外骨骼助力机器人.为解决单根肌肉关节轨迹跟踪控制精度差、抗干扰能力差及颤振严重等问题,基于反步法设计单根肌肉关节伺服系统的自适应鲁棒控制器.该控制器呈两层级联结构,每层均包含一个鲁棒反馈、参数自适应及快速动态补偿项,基于递归最小二乘法和梯度法分别设计参数自适应及快速动态补偿项....