形状记忆合金驱动手指功能康复外骨骼设计

为了研制适应关节黏弹特性、轻便、可穿戴的手指功能康复装置,在分析手指关节、肌腱运动机理的基础上,设计形状记忆合金（SMA）丝驱动的手指功能康复装置.建立该装置的运动学模型和SMA驱动模型,提出基于SMA丝电阻反馈的模糊神经网络PID控制方法,研制手指功能康复外骨骼样机,进行样机的运动性能和控制性能实验.结果表明,仿生外骨骼实现了预期的手指被动康复运动,拇指、食指和中指的最大弯曲角度与人体手指的弯曲角度相近,分别为130.5°、236.4°、242.5°;仿生外骨骼能够辅助手指完成日常抓握动作;模糊神经网络PID相比于传统PID控制,有效缩短了仿生外骨骼的响应时间,手指的屈伸康复频率为6次/min.     

刚-柔性机械臂动力学建模及其动力学特性研究

根据假设模态法,对刚-柔性机械臂系统进行了位形表达及运动学分析.基于Kane方程,建立了刚-柔性机械臂系统的动力学模型.数值仿真结果表明,截取前二阶模态即可满足刚-柔性机械臂系统的精度要求;分析了柔性机械臂的结构参数、材料参数和驱动力矩对其动力学特性的影响.研究结果表明:通过采用矩形截面,采用较大弹性模量的材料,减小外部施加的驱动力矩,避免驱动力矩产生突变,可以有效地提高刚-柔性机械臂系统的动力学性能.     

形状记忆合金电阻-应变模型

目的 利用热动力学电阻理论和拉伸试验,建立超弹性状态的形状记忆合金(SMA)电阻-应变模型.方法 在SMA热动力学电阻模型的基础上,采用数值分析和实验验证相结合的方法 ,创建了SMA超弹性分段线性化模型.在完成SMA单向拉伸试验的基础上,提取具有代表性的实验数据,验证电阻-应变模型的有效性.结果 得到电阻-应变试验曲线,并建立了曲线的数学表达式.结论 所提出的SMA电阻-应变模型与实验结果 吻合很好,可以有效地表达SMA超弹性电阻-应变之间的关系.     

基于自适应神经网络的柔性关节机械臂控制

柔性关节机械臂系统是一个非线性高阶系统,且其动力学方程难以精确地获得。因此,提出一种以关节驱动电机的输入电压为控制量的自适应神经网络控制器,用于控制多连杆柔性关节机械臂系统。所提控制方法通过对柔性关节机械臂模型解耦得到关节转角关于电压的方程,以电压为系统控制输入。设计神经网络控制器用于逼近最优控制输入,并设计鲁棒控制器补偿逼近误差。该控制方法不再涉及复杂的动力学方程,因此能简化计算。相比已有控制方法,所提出的控制策略更简单、响应更快且更有效。并以二连杆柔性关节机械臂为例进行了仿真研究,结果证明了所提出控制方法的有效性。     

电动装甲车方波电机制动过程泵升电压抑制新方法

为了抑制电动装甲车在制动过程中产生的对系统工作不利的高泵升电压,通过对制动过程泵升电压产生机理的分析,得出了泵升电压同PWM占空比之间的函数关系,提出了通过控制PWM占空比来有效抑制泵升电压的数字控制新方法. 该方法可以有效地减小电容值,在一定程度上减小了控制器的体积,提高了控制器的性能价格比. 计算机仿真和实验结果证明了这种数字控制方法的正确性和可行性.     

柔性机械臂振动控制研究

总结并分析了柔性机械臂动力学建模和振动控制的最新进展,建立了柔性机械臂振动控制实验系统,分别采用ＰＩＤ控制策略和线性二次型最优控制（ＬＱＲ）策略对柔性机械臂的振动控制进行了实验研究,并提出ＰＩＤ了控制与闭环反馈控制相结合的有效性。实验结果表明闭环应变反馈控制比单纯的的ＰＩＤ控制更为有效。     

基于控制系统模型降阶的柔性机械臂模态截断技术

本文提出了基于均衡实现的柔性机械臂模态截断方法,求取了单链杆柔性机械臂状态空间达式的均衡实现,并以此为依据对控制模型和动力学模型进行了截断,所得结果与实验结果一致。     

形状记忆合金迟滞模型

基于实验测试,结合Preisach理论研究了形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)丝驱动器的迟滞建模。首先,依赖于SMA材料受输入电压作用引起的温升变化诱发材料相变输出位移量,设计了SMA丝特性测试平台,记录了驱动过程中的输入、输出变化量,得到理论模型参数辨识的数据集合。然后,讨论了SMA丝的输入电压、温度变化与形状记忆效应产生的材料宏观位移间的迟滞关系。最后,引入Preisach理论,由推导的经典Preisach理论的修正形式和数值实现方法构造了SMA驱动器温度量和位移的迟滞模型。结果表明:与试验数据比较,Matlab环境仿真得到的SMA迟滞曲线,匹配性较好,为进一步的系统设计分析奠定了基础。     

TRUM相移PWM信号控制器的研究与设计

针对行波型旋转超声波电机(TRUM)设计了一种用于两相H桥驱动电路的相移PWM信号控制器.控制器以CPLD和HIP4081A为核心,通过逻辑运算,辅以信号、电平处理电路,获得频率、相位可控的PWM信号,分别在硬件电路和软件设计算法中做了相应的改进,提高了软件资源利用率,实现了TRUM两相H桥驱动电路的控制.并从驱动电压能量利用率的角度,分析了PWM信号相位差与输出电压的关系,为控制器参数设置提供了理论依据.最后,通过实验验证了所设计控制器控制下的H桥驱动电路输出电压的性能,输出电压能满足电机的驱动要求.     

基于H∞理论的柔性机械臂振动主动控制

目的 研究柔性机械臂的振动主动控制问题,实现对机械臂振动的抑制.方法 使用压电元件作为驱动器,采用解析建模方法建立简化的压电柔性机械臂的动力学方程和控制系统模型,基于H∞控制理论设计了压电柔性机械臂的振动主动控制系统.结果 仿真结果表明.H∞控制器有效抑制了压电柔性机械臂的振动.尤其是低频振动分量大大下降.结论 利用H∞方法设计的控制器实现了对柔性机械臂的振动主动控制.且该方法具有强鲁棒性.     

偏心埋入SMA丝的悬臂梁弯曲变形分析及实验研究

将预拉伸的ＳＭＡ丝作为驱动器,偏心埋入复合材料悬臂梁内．建立了该梁受ＳＭＡ驱动发生变形的力学模型,分析了ＳＭＡ在不同加温阶段,由于其相变恢复力驱动该梁产生的静态变形,并进行了实验验证,实验结果与理论分析相吻合．     

Constitutive model for shape memory alloy torsion actuator

Shape memory alloy ( SMA) torsion actuator is one of the key approaches realizing adaptive wings in airplanes. In this paper,the actuator is made up of SMA wires and a thin-walled tube,in which the SMA wires are twisted and affixed around the surface of the tube at an angle referenced to the center axis of the tube. A thermo-mechanical constitutive model is developed to predict the thermo-mechanical behaviors of the SMA torsion actuator based on the knowledge of solid mechanics. The relationship between the torsion-angle and tem- perature is numerically calculated by using the thermo-mechanical constitutive model coupled with the SMA phase transformation model developed by Zhou and Yoon. The numerical results are compared with the relative experimental results finished by Xiong and Shen. Influences of the twist-angle of SMA wires and geometrical factors on the primary actuation performances of the SMA torsion actuator are also numerically investigated based on the thermo-mechanical constitutive model coupled with the SMA phase transformation model developed by Zhou and Yoon. Results show that the thermo-mechanical constitutive model can well predict the thermo-mechanical behaviors of the SMA torsion actuator.     

Dynamic modeling and analysis of 3-RRS parallel manipulator with flexible links

The dynamic modeling and solution of the 3-(R)RS spatial parallel manipulators with flexible links were investigated. Firstly, a new model of spatial flexible beam element was proposed, and the dynamic equations of elements and branches of the parallel manipulator were derived. Secondly, according to the kinematic coupling relationship between the moving platform and flexible links, the kinematic constraints of the flexible parallel manipulator were proposed. Thirdly, using the kinematic constraint equations and dynamic model of the moving platform, the overall system dynamic equations of the parallel manipulator were obtained by assembling the dynamic equations of branches. Furthermore, a few commonly used effective solutions of second-order differential equation system with variable coefficients were discussed. Newmark numerical method was used to solve the dynamic equations of the flexible parallel manipulator. Finally, the dynamic responses of the moving platform and driving torques of the 3-RRS parallel mechanism with flexible links were analyzed through numerical simulation. The results provide important information for analysis of dynamic performance, dynamics optimization design, dynamic simulation and control of the 3-RRS flexible parallel manipulator.     

Passive smart self-repairing concrete beams by using shape memory alloy wires and fibers containing adhesives

An innovative approach to increase structural survivability of concrete and maintain structural durability of concrete was developed in case of earthquakes and typhoons. This approach takes advantage of the superelastic effect of shape memory alloy（SMA） and the cohering characteristic of repairing adhesive. These SMA wires and brittle fibers containing adhesives were embedded into concrete beams during concrete casting to form smart reinforced concrete beams. The self-repairing capacity of smart concrete beams was investigated by three-point bending tests. The experimental results show that SMA wires add self-restoration capacity,the concrete beams recover almost completely after incurring an extremely large deflection and the cracks are closed almost completely by the recovery forces of SMA wires. The number or areas of SMA wires has no influence on the tendency of deformation during loading and the tendency of reversion by the superelasticity. The adhesives released from the broken-open fibers fill voids and cracks. The repaired damage enables continued function and prevents further degradation.     

基于分布参数模型的柔性臂变结构控制

提出了一种针对柔性臂分布参数模型的变结构控制方法,解决了系统存在参数不确定性和在外部干扰下的镇定问题。通过Lyapunov函数方法设计了系统的变结构控制器,其中滑模面设计为关节角、关节角速度和柔性臂根部应变的线性组合。由线性算子半群理论和LaSalle不变集原理证明了闭环系统是渐近稳定的。仿真结果验证了该方法的有效性。     

肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器

模拟乌贼鳍动作的肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器由推进模块、遥控模块、驱动模块和电池组等几部分组成.推进模块由2个水平鳍构成,每个水平鳍由1张鳍膜和5个由形状记忆合金丝驱动的柔性鳍单元组合而成.柔性鳍单元模拟乌贼鳍结构,能实现柔性弯曲.柔性鳍单元动作过程中利用弹性机制,在弯曲时存储弹性能,在回复时释放弹性能,从而减少能量消耗.对柔性鳍单元的形状记忆合金丝进行了热力学分析,发现采用短脉宽、大电流的脉冲可使柔性鳍单元在较高动作频率时,达到较大的弯曲角度.在空气中和水中对柔性鳍单元进行了弯曲试验,验证了柔性鳍单元的设想和控制方法.对该推进器模仿短鳍乌贼的鳍拍动进行了游动试验,达到了40mm/s的最大直线游动速度和22(°)/s的最大打转游动速度.该推进器对环境友好,能实现柔性动作和水下无声推进.     

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.     

复合驱动双指柔性机械手的设计与控制

为了满足工业领域中形状多变、物性多样、尺寸不一的复杂目标件抓取需求,模仿人手指关节并依据双指贴合抓取原理,设计达到包络贴合状态的双指柔性机械手.分析目标件外形轮廓的结构特点,提取目标件轮廓的抓取特征,获得柔性机械手的结构运动原理.根据柔性机械手运动原理,进行目标件包络夹取过程的数学建模与仿真分析,搭建平台验证柔性机械手的性能.该机械手由柔性机械手指、驱动部件和位置补偿机构组成,可以实现圆柱体、圆锥件、长方体类零件的适应性抓取,具有较高的抓取可靠性与稳定性.