蠕动式气动软体管道机器人设计与实验

仿照蠕虫运动机理,利用自主研发的径向膨胀和轴向伸缩软体驱动器,研制了一种蠕动式气动软体管道机器人。研究了两种驱动器的结构设计和工艺流程;并进行了静力学实验,获得了驱动器静力学特性;依据轴向伸缩软体驱动器的形变原理,建立了机器人的运动学模型,获得了在不同气压、频率和负载情况下机器人的运动性能。结果表明,管道机器人具有较好的灵活性和适应性,可在一定直径范围的管道内自由爬行,爬行最大运动速度可达4.64 mm/s,负载能力为1000 g。     

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...     

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。     

颗粒流驱动变刚度弯曲软体驱动器的设计及运动仿真

为提高软体机器人的承载能力,利用颗粒物质兼具流体和阻塞刚化的特性,设计了一种变刚度弯曲软体驱动器。以颗粒物质力学为指导,设计并制造了变刚度弯曲软体驱动器样机。通过试验获得了分别描述颗粒物质和变形腔材料的联合弹塑性模型、Ogden超弹本构模型,提出了软体驱动器运动过程的有限元仿真方法,搭建了变刚度软体驱动器实验平台。实验与仿真获得的弯角误差约为15.6%,利用颗粒阻塞原理可使承载能力提高约1.75倍。     

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。     

气动软体机械臂模块变刚度性能分析

根据现有的气动软体机械臂的特征,为解决软体机械臂存在的结构刚度不足的问题,提出了一种软体机械臂模块。该模块采用耦合变刚度原理,由上下两端连接板、位于两连接板之间的外部弯曲硅胶气囊和中部变刚度硅胶气囊组成,可实现连续软体机械臂的模块化和变刚度,提升软体机械臂的负载能力。基于硅胶的超弹性材料特征,建立了新型软体机械臂模块的非线性力学模型并通过该模型完成了变刚度性能分析。在充分考虑各硅胶气囊的驱动力矩和模块的弯曲运动的基础上,设计了静态拉伸试验,对模块的变刚度气囊通过施加冗余驱动力矩来实现变刚度的效果进行了分析。通过试验与论证,总结出了模块充气压强与模块结构的刚度之间的变化规律,为气动软体机械臂刚度的计算和这种模块的实际应用提供了理论支持。     

软体机械臂仿生机理、驱动及建模控制研究发展综述

软体机械臂由柔性材料制作,具有高柔顺性、复杂环境适应性及安全人机交互性等特点,研究涉及材料学、仿生、机械设计和制造、传感器技术等多学科交叉融合,其发展为柔性材料应用、仿生机器人研究等提供参考和技术支持,在工业生产、医疗手术、救灾探测、生活护理等方面具有广阔应用前景,受到国内外学者及机构的广泛关注和研究。文章从仿生原理、驱动方式、变刚度方式、建模及控制等方面对软体机械臂研究进行综述,介绍章鱼臂及象鼻等生物结构仿生机理;按驱动类型将软体机械臂分为流体驱动、线驱动、气动人工肌肉、形状记忆合金、电活性聚合物、混合驱动等;介绍拮抗机构、阻塞、材料相变三种变刚度方式;以及目前常用于软体机械臂上的建模方法及控制策略。从中归纳和分析,得到软体机械臂的关键问题包括可重复性、精度、低输出力和建模控制等,其关键技术及未来发展方向包括新柔性材料制备和成型技术、刚柔结合/可变刚度机器人、柔性传感器技术等。     

软体机器人:结构、驱动、传感与控制

软体机器人由软材料加工而成,自身可连续变形,与刚性机器人相比具有更高的柔顺性、安全性和适应性,在人机交互、复杂易碎品抓持和狭小空间作业等方面具有不可比拟的优势。综述软体机器人的发展历程,将软体机器人归为传统绳索驱动/气动肌肉机器人、超弹性材料软体机器人和智能材料软体机器人三大类。从仿生结构和仿生运动、驱动与加工、传感与控制三个方面对软体机器人的相关科学问题以及存在的技术难点进行总结与分析。分析了软体机器人在仿生结构、抓持作业和医疗康复等领域潜在的应用价值。对软体机器人目前的发展现状和存在的关键科学难点进行了系统的总结,并得出刚柔耦合、可变刚度和驱动传感控制一体化等研究方向可能是未来软体机器人研究新的突破点。     

气动肌纤维驱动仿生机体类生物变刚度特性分析

四足机器人的仿生机体,大多采用刚性或单自由度机体结构,限制了四足机器人的机动性和灵活性。基于四足生物躯体解剖结构及动态弯曲运动机理分析,设计一种气动肌纤维驱动的刚柔耦合仿生机体,可实现变刚度侧向弯曲。根据仿生机体的结构,分析仿生椎间盘、仿生韧带、仿生肌肉等主要组成要素的刚度,提出一种仿生机体的串并联式刚度模型,建立仿生机体的刚度与气动肌纤维输入气压间的关系,探究在不同驱动方式下仿生机体的局部、整体变刚度特性。设计仿生机体的变刚度测试实验平台,分别开展仿生机体的局部、整体动态弯曲试验,分析其主动变刚度特性。实验结果表明,通过改变气动肌纤维的布置及充气压力,能实现仿生机体的动态弯曲,具有类生物的局部或整体变刚度特性。创新研究的仿生机体及驱动方式,为提高四足机器人的机动性提供借鉴。     

机器人驱动机构中弹性元件功能分析及刚度设计

为了研究弹性元件在仿人机器人腿部弹性驱动机构中的具体功能,并选择合适刚度的弹性元件,以典型的弹性驱动器为基础,建立了弹性驱动器的位置源驱动模型以及仿人机器人小腿弹性驱动机构模型。对驱动机构重要参数进行优化,确定最优参数值,在给定转角范围内,通过仿真计算分别得到转角和驱动力与驱动位移关系图。对比不同弹簧刚度下的关系曲线,利用MATLAB函数确定最优刚度值,得出在合适的弹簧刚度下,弹性元件具有增强机器人小腿驱动稳定性和精确性的功能的结论。     

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。     

Compliant actuation of parallel-type variable stiffness actuator based on antagonistic actuation

For a service robot requiring physical human-robot interaction, stable contact motion and collision safety are very important. To accomplish these functions, we propose a novel design for a parallel-type variable stiffness actuator (PVSA). The stiffness and position of a joint can be controlled simultaneously using the PVSA based on an antagonistic actuation inspired by the musculoskeletal system. The PVSA consists of a dual-cam follower mechanism, which acts like a human muscle, and a drive module with two motors. Each cam placed inside the dual cam-follower mechanism has two types of cam profile to provide a wide range of stiffness variation and collision safety. The use of the PVSA enables position and stiffness control to occur simultaneously. Furthermore, joint stiffness instantly decreases when the PVSA is subject to a high torque exceeding a pre-determined value, thereby improving collision safety. Experiments showed that the PVSA provides effective levels of variable stiffness and collision safety.     

颗粒阻塞软体驱动器承载特性研究

颗粒阻塞效应广泛用于提高软体驱动器的承载能力,为了深入研究阻塞态驱动器的承载规律,对颗粒阻塞弯曲软体驱动器的受载变形规律进行实验测试和理论分析。驱动器的受载变形分为弹性变形和塑性变形两个阶段,塑性阶段具有近似线性的应变强化现象,且流动阻力波动较大。增大驱动器内外压差后,弹性系数、屈服力及应变强化程度均显著提升。屈服力和应变强化程度对驱动器承载性能的影响更大,仅考虑颗粒阻塞的变刚度效应是不全面的。同时基于石膏粉末3DP打印技术提出一种新的硅胶型腔消失模制备方法,可提高效率和精度。     

基于拮抗机制的可变刚度流体驱动柔性致动器研究

柔性致动器具有柔顺性高、环境适应性强及人机交互性好等特点.针对传统柔性制动器刚度控制性能差的问题,基于柔性伸长肌和收缩肌的拮抗机制,提出一种新型可变刚度的流体驱动柔性致动器,该致动器能够实现伸长/缩短的复合动作,并通过协同调整伸长和收缩力实现刚度的控制;基于伸长及收缩织物的柔性形变机理,建立了柔性致动器的力学特性模型,...     

基于差动轮系的变刚度执行器及变刚度柔性手爪

结合差动轮系和杠杆原理设计了一种调刚范围从0～+∞的变刚度执行器,并完成了其结构优化设计和调刚能耗优化设计。该变刚度执行器具有变刚度范围大,调刚能耗需求低,占用空间小,易控制,响应速度快,可靠性强,技术实现可行性高等优点,具有一定的实际应用意义。在此基础上设计了一款欠驱动变刚度柔性手爪,将变刚度执行器作为手爪关节的驱动单元,通过调节变刚度执行器的刚度来改变手爪的刚度。最后,搭建了变刚度柔性手爪的硬件平台,对变刚度执行器进行了刚度测量,验证了所设计的变刚度执行器在进行刚度调节上的可行性。进行了变刚度柔性手爪的力控制实验,成功实现了对柔软物体的抓取。对变刚度柔性手爪的单指进行了性能分析,并验证了手指刚度与变刚度执行器刚度呈正相关关系,完成了变刚度柔性手爪性能实验验证。     

双足机器人腿部新构型设计与试验研究

探究高动态性能双足机器人对腿部设计的要求,阐明机器人腿部设计准则、设计方案和实现措施。提出一种腿部串并联新构型方案,膝关节驱动器上移到髋关节,踝关节驱动器上移到膝关节,膝关节驱动器通过简化五连杆机构将运动传递到膝部,踝关节驱动器通过并联四连杆机构将运动传递到踝部。对踝关节并联机构和整个腿部关节进行运动学正逆解,建立新构型机器人的仿真模型。考虑运动控制算法,完成机器人动力学仿真。测试准直驱驱动器性能,并完成串并联构型腿部样机试验验证,机器人可实现0.4m/s的行走速度。结果表明,提出的腿部串并联新构型与传统串联构型比具有更高的运动性能,新构型机器人性能在真机测试中得到验证。该串并联新构型方案在双足机器人和其它服务机器人领域具有广阔的应用前景。     

Mechanical design and analysis of a novel variable stiffness actuator with symmetrical pivot adjustment

The safety of human–robot interaction is an essential requirement for designing collaborative robotics. Thus, this paper aims to design a novel variable stiffness actuator (VSA) that can provide safer physical human–robot interaction for collaborative robotics. VSA follows the idea of modular design, mainly including a variable stiffness module and a drive module. The variable stiffness module transmits the motion from the drive module in a roundabout manner, making the modularization of VSA possible. As the key component of the variable stiffness module, a stiffness adjustment mechanism with a symmetrical structure is applied to change the positions of a pair of pivots in two levers linearly and simultaneously, which can eliminate the additional bending moment caused by the asymmetric structure. The design of the double-deck grooves in the lever allows the pivot to move freely in the groove, avoiding the geometric constraint between the parts. Consequently, the VSA stiffness can change from zero to infinity as the pivot moves from one end of the groove to the other. To facilitate building a manipulator in the future, an expandable electrical system with a distributed structure is also proposed. Stiffness calibration and control experiments are performed to evaluate the physical performance of the designed VSA. Experiment results show that the VSA stiffness is close to the theoretical design stiffness. Furthermore, the VSA with a proportional–derivative feedback plus feedforward controller exhibits a fast response for stiffness regulation and a good performance for position tracking.     

Analysis of actuating mechanics characteristics for a flexible miniature robot system

Based on the inchworm movement, a miniature endoscope inspection robot system with a flexible structure is designed. The system is actuated by a pneumatic rubber actuator with three degrees of freedom, and it holds its position by air chambers. The actuating mechanics characteristics of the robot are analyzed. An electro-pneumatic pressure system is designed to control the motion of the robot. Results of the calculation and experiments are consistent, and the robot system can move smoothly in a soft tube.     

Development of a masticatory robot using a novel cable-driven linear actuator with bidirectional motion

Masticatory robots are an effective in vitro performance testing device for dental material and mandibular prostheses. A cable-driven linear actuator (CDLA) capable of bidirectional motion is proposed in this study to design a masticatory robot that can achieve increasingly human-like chewing motion. The CDLA presents remarkable advantages, such as lightweight and high stiffness structure, in using cable amplification and pulley systems. This work also exploits the proposed CDLA and designs a masticatory robot called Southeast University masticatory robot (SMAR) to solve existing problems, such as bulky driving linkage and position change of the muscle’s origin. Stiffness analysis and performance experiment validate the CDLA’s efficiency, with its stiffness reaching 1379.6 N/mm (number of cable parts n = 4), which is 21.4 times the input wire stiffness. Accordingly, the CDLA’s force transmission efficiencies in two directions are 84.5% and 85.9%. Chewing experiments are carried out on the developed masticatory robot to verify whether the CDLA can help SMAR achieve a natural human-like chewing motion and sufficient chewing forces for potential applications in performance tests of dental materials or prostheses.