多功能软体机械手的设计与建模

设计了一款新颖的多功能软体机械手,其由两个软体手指和一个软体手腕集成一体。软体手指由四个并联的双向弯曲气动软体驱动器组成;软体手腕主要由一个双轴双向弯曲气动软体驱动器构成,软体手指、软体手腕协同动作,可以实现软体机械手的多方位、多任务操作。根据软体机械手所需运动范围和抓取力确定了软体机械手的尺寸参数。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了上述两个双向弯曲软体驱动器的欧拉梁弯曲模型和悬臂梁弯曲模型,获得了双向弯曲软体驱动器弯曲曲率、弯曲力矩和充气气压三者之间的解析表达式,以及双向弯曲软体驱动器受到载荷时的弯曲变形曲线,通过双向弯曲软体驱动器的自由弯曲试验和弯曲变形试验验证了上述模型的正确性。通过软体机械手的闭合抓取试验和张开提起试验说明了软体机械手的实用性。     

软体气动驱动器弯曲变形光纤传感与形状重构

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题,提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置,实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征,得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系,计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值,重构出软体气动驱动器的变形形状,验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明:将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层,利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感,3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1%。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。     

基于弹性体材料仿生手的设计、制造及其控制

软体机器人是近年来的研究热点,涉及信号检测、控制、致动等多个方面。基于弹性体材料设计制备了一种符合人体手指运动规律的弯曲致动器及其仿生手和电容式可拉伸传感器。仿生手总共设计有14个弯曲关节,且每个弯曲关节都由外部管道独立控制,当外部气压达到50 k Pa时,手指关节能够实现90o的弯曲变形,最大指尖压力为210m N。可拉伸应变传感器在200%应变下表现出良好的稳定性和可逆性,将传感器贴在手指关节上具有监测手指运动的功能。最后,将传感器贴于手套上作为可穿戴器件,通过单片机控制系统采集手套上传感器由于手指弯曲产生的信号,信号经蓝牙传输,实现对气动回路的有效控制,最终完成对仿生手的远程实时操控。研究结果可应用于远程交互、生命科学等领域。     

柔性软体机械手的设计及变形研究

针对目前柔性软体机械手国内外研究现状,总结了其关键技术难题与不足。以柔性软体机械手为研究对象,设计并验证了柔性软体机械手的弯曲变形特性及压力响应特性。首先设计了柔性软体机械手结构,由单向弯曲驱动器、滑移平板以及连接装置组成,建立了柔性软体机械手指理论数学模型;其次利用有限元分析软件ABAQUS基于Yeoh模型建立了柔性软体机械手指硅胶材料的本构模型;同时,利用3D打印技术制备带有腔体的单向弯曲驱动器的浇注模具,注入混合好的液态硅胶,获得硅胶材料的柔性软体机械手指;最后开展了单向弯曲驱动器弯曲变形仿真及实验,验证了柔性软体机械手指的弯曲变形特性及压力响应特性,并验证了理论数学模型的准确性。     

软体机械手遥操作系统的设计与分析

面向气动软体机械手在远程非结构化环境下作业的工作需求,搭建了软体机械手遥操作系统。基于“快速气动网络”及模块化可拆卸原则,设计制作了软体弯曲致动器,根据实验需要组装成仿人手形软体机械手。在Yeoh模型基础上建立了软体致动器的力学模型并借助仿真分析加以修正,为软体致动器的控制提供了理论依据。设计了遥操作系统的总体结构,提出了气动软体机械手的驱动模式与控制策略,在C#窗体应用程序中开发了客户端软件。基于蒙皮技术在3D Max软件中对软体致动器进行建模,在Unity3D中搭建了虚拟作业场景,通过脚本程序设计实现远地端反馈信息对软体末端的运动控制和对目标对象的碰撞与拾取。开展软体致动器弯曲角度与充气气压实验,验证分析力学模型的准确性;开展遥操作手势映射实验,分析与探讨软体机械手遥操作系统的可行性及其进一步研究与应用。     

植入光纤光栅的软体驱动器形状传感研究

软体机器人由于具有柔顺性和适应性等特点,在外科手术和狭窄空间等方面具有无可比拟的优势,为了实现微创手术等狭小空间中软体驱动器的姿态传感监测,提出基于植入式光纤光栅的柔性传感方法,首先将光纤布拉格光栅（FBG）植入在软体驱动器中;然后在软体驱动器的不同弯曲状态下,通过实验测试分析FBG点的光谱、波长漂移量和曲率等信息,利用3次样条插值等算法实现软体驱动器的三维形状拟合重构。实验结果表明,驱动器实际弯曲角度和重构算法之间的误差不足45%,传感器重复性的偏差指数不足7%。所提出的基于植入式光纤光栅的柔性传感方法可以实现软体机器人的姿态传感监测,在医疗外科手术领域具有广阔的应用前景。     

一种内骨骼软体手的抓取策略研究

根据混流柔性生产对机械手提出的对不同形状、不同质量且易损伤物体进行安全可靠抓取的需求,提出了一种新型的驱动与承力功能分解的关节式内骨骼气动软体机械手的设计思想,并完成了软体手的具体结构设计.针对软体手的抓取控制策略问题,提出了一种基于实时位置检测的压力补偿算法.通过嵌入手指中的柔性弯曲传感器,实时监测手指各指段位置,间...     

基于骨架的气动软体仿人手指设计与仿真分析

针对现有的软体机械手手指存在弯曲形态单一、运动范围小等缺点,设计了一款基于骨架的气动软体仿人手指。该手指由3个弯曲驱动器和2个伸长驱动器的交叉组合而成,既能通过弯曲驱动器灵活地实现复杂弯曲动作,又能通过伸长驱动器控制运动范围。文中通过对基于骨架的气动软体仿人手指结构进行设计,使用Abaqus仿真软件对弯曲驱动器和伸长驱动器进行有限元仿真分析,得到2种软体驱动器在不同参数下的气压-位移变化曲线。根据仿真结果可以得到最佳结构参数,同时说明该软体仿人手指的设计具有可行性。     

基于惯性传感器的软体执行器角度与位置控制研究

针对软体执行器的弯曲角度和端点位置特性进行研究,提出了一种基于惯性传感器反馈控制软体执行器的弯曲角度和位置的方法。对惯性传感器数据进行互补滤波融合,得到软体执行器的弯曲角度作为反馈调节高频电磁阀的通断时间实现可控弯曲形变,并通过角度验证位置的空间运动曲线。实验结果表明,该控制方式能够实现软体执行器的角度及位置精确控制。     

软体机械手研究综述

软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性,软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点,受到国内外学者和机构的广泛研究,并表现出良好的应用前景。综述了软体机械手的应用领域、驱动方式、材料与制造、建模与控制的相关问题,并梳理了软体机械手研究中依旧存在的问题和可能的解决方案以及软体机械手的发展趋势。软体机械手是软体机器人领域的一个重要分支,其研究涉及材料学、力学、化学、机械设计与制造、电子与控制科学以及仿生学等诸多领域的交叉和融合。对软体机械手的研究将极大丰富人们对柔性材料的复杂、丰富特性的理解,也将为更好地把柔性材料融入产品的设计提供理论和技术指导。     

基于光反馈柔性气动手爪设计与研究

针对传统柔性气动手爪分层制作导致的易损及无闭环反馈等问题,通过低温石蜡与3D打印技术,设计并制作了重量仅为15 g的一体式、低成本柔性手爪,提高了柔性手爪的耐压性能及使用寿命。通过采用光感知反馈算法,实现了柔性手爪的闭环反馈控制,并对不同物品进行了抓取试验。结果表明:建立的光强-弯曲数学模型,不仅具有较高的位置控制精度,同时可对目标物进行准确的尺寸识别,不同尺寸下识别误差率为2%~6.7%,为柔性手爪的低成本闭环反馈控制方式提供了新思路。     

Proximity sensor technology for manipulator end effectors

Optimal proximity sensing devices suitable for hand mounting on a manipulator are described, which use near IR LED light sources operating at 0.94μ and silicon detectors, with appropriate signal processing so that the data are unaffected by ambient light. Laboratory tests with simple proximity sensors are described. Extension of the same techniques to yield multipoint or digital sensors are also discussed. A cooperative proximity sensor concept is described, which employs a composite mirror attached to the work piece to generate an unambiguous set of position and orientation signals. A very rudimentary experiment in local control of a manipulator with a pair of hand mounted proximity sensors is also described.     

PARAMETRIC IDENTIFICATION OF PARALLEL MANIPULATOR WITH REDUNDANCY DRIVEN BY PNEUMATIC MUSCLES

A new parameter estimation algorithm is proposed for parametric identification of a parallel manipulator driven by pneumatic muscles with redundancy. Due to the special physical properties of the parallel manipulator studied, the regression model for parametric identification is characterized by multieollinearity, which will result in unreliable and inaccurate parameter estimations with large eovarianee if the conventional parameter estimation algorithm based on single error minimizing criterion is used. To improve the quality of parameter estimation and achieve high precise posture trajectory tracking control of the parallel manipulator, a new parameter estimation algorithm based on composite error minimizing criterion is developed in need of theoretical contractive forces of pneumatic muscles. The experimental results indicate that the proposed algorithm integrated with adaptive robust control could provide reliable parametric identification and greatly enhance the control accuracy in the trajectory tracking control of the parallel manipulator, and that the variation of known theoretical contractive forces of pneumatic muscles has slight influence on the control performance.     

Flexible Bio-tensegrity Manipulator with Multi-degree of Freedom and Variable Structure

Conventional manipulators with rigid structures and sti ness actuators have poor flexibility, limited obstacle avoidance capability, and constrained workspace. Some developed flexible or soft manipulators in recent years have the characteristics of infinite degrees of freedom, high flexibility, environmental adaptability, and extended manipulation capability. However, these existing manipulators still cannot achieve the shrinking motion and independent control of specified segments like the animals, which hinders their applications. In this paper, a flexible bio-tensegrity manipulator, inspired by the longitudinal and transversal muscles of octopus tentacles, was proposed to mimic the shrinking behavior and achieve the variable motion patterns of each segment. Such proposed manipulator uses the elastic spring as the backbone, which is driven by four cables and has one variable structure mechanism in each segment to achieve the independent control of each segment. The variable structure mechanism innovatively contains seven lock-release states to independently control the bending and shrinking motion of each segment. After the kinematic modeling and analysis, one prototype of such bionic flexible manipulator was built and the open-loop control method was proposed. Some proof-of-concept experiments, including the shrinking motion, bending motion, and variable structure motion, were carried out by controlling the length of four cables and changing the lock-release states of the variable structure mechanism, which validate the feasibility and validity of our proposed prototype. Meanwhile, the experimental results show the flexible manipulator can accomplish the bending and shrinking motion with the relative error less than 6.8% through the simple independent control of each segment using the variable structure mechanism. This proposed manipulator has the features of controllable degree-of-freedom in each segment, which extend their environmental adaptability, and manipulation capability.     

Torque sensor calibration using virtual load for a manipulator

Accurate load sensing of a manipulator becomes increasingly important in performing various tasks involving contact with an environment. Most of the research has been focused on improving the hardware of a force/torque sensor. The torque sensors for a manipulator suffer from crosstalk, which is difficult to compensate for even with sophisticated calibration. This research proposed a novel calibration method composed of two steps. Through the primary calibration, the torque sensor output can be related to the joint torques. The secondary calibration, which is based on a virtual load, is conducted to compensate for the crosstalk of a torque sensor. The virtual load is obtained from the sensed joint torques and manipulator configuration. Using the proposed calibration method, the external load acting on the end-effector of a manipulator can be accurately measured even with relatively low-quality torque sensors. The experimental results showed that the error in the load sensing was significantly reduced by the proposed calibration method.     

模块化手套机控制系统设计研究

针对手套机机械结构的变动所产生的手套机控制系统移植性问题,对现有手套机机械结构、硬件电路、电磁铁、电磁阀、Linux驱动、应用层主控程序等方面进行了研究,对手套机控制系统硬件系统及软件系统进行了归纳,提出了一种基于Linux系统的模块化手套机控制系统。首先对现有手套机不同子系统进行分析总结,将手套机的主干部分划分为6个模块,依次为选针模块、软轴控制模块、纱线模块、信号检测模块、显示界面模块、按键模块;然后对内核部分的驱动、系统启动脚本、应用层的主控程序软件部分进行编写;最后实现了手套机正常的编制功能。研究结果表明,通过对手套机的模块化,使应用层手套机主程序与底层分离,减少因手套机子控制系统的变动带来软件上的修改,使手套机控制系统具有较高的移植性。     

一种仿章鱼腕足柔性模块的设计与运动控制

针对软体机器人由于刚度太低且是连续变形,故很难进行运动控制的问题,提出一种由形状记忆合金弹簧驱动的柔性机械臂。机械臂由３Ｄ打印制造而成,内部嵌入３个线性霍尔传感器,用于测量柔性臂弯曲运动。通过压缩补偿计算可以精确控制弯曲运动。实验结果表明,该柔性机械臂可以以较高精度进行三维运动。     

柔性机械臂结构-控制耦合特征的实验研究

利用柔性机械臂主动控制实验装置以及相应的动力学参数测试系统 ,采用光电编码器、加速度计和应变片分别检测柔性臂的大范围运动、末端振动及驱动力矩 ,对柔性机械臂结构 -控制耦合特性进行了研究。实验结果发现 :1)由于结构与控制系统的耦合 ,改变了柔性机械臂的第一阶振动频率 ;2 )在实现规定运动时 ,不同结构的柔性机械臂的驱动力矩形式明显不同 ;3)柔性机械臂的驱动力矩具有随伺服驱动系统工频的脉动现象。验证了柔性机械臂结构与控制系统之间存在相互作用 ;指出采取结构 -控制一体化设计方法是提高柔性机械臂性能的一个重要手段。     

柔性冗余度机器人振动主动控制

采用振动主动控制方法降低柔性冗余度机器人的弹性动力响应。设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏连杆 ,建立了离散时变受控系统的状态空间表达式。利用 Bellman动态规划设计 L QR状态反馈控制器 ,并提出了一种状态估计的近似方法。平面 3R柔性冗余度机器人的仿真算例表明 ,采用该方法可以使柔性冗余度机器人的动力学性能得到显著的改善