基于多腔软体驱动器的柔性手指设计

针对现有软体柔性手指运动自由度少的问题，设计了一款基于气动多腔软体驱动器的柔性手指。基于软体动物的运动特征，对多腔软体驱动器的结构进行了设计；根据虚功原理，建立了软体驱动器的力学模型和柔性手指的位姿方程；利用Abaqus CAE有限元仿真软件对柔性手指进行了力学仿真，得到了柔性手指偏转角度与输入气压的关系曲线；以单向转动软体驱动器为研究对象，通过输入特定气压值来分析其偏转角度与输入气压的关系，并对比了偏转角度—输入气压关系曲线的理论计算、仿真分析和试验结果的差异。试验结果显示，在偏转角度为0°~80°时，单向转动软体驱动器理论计算、仿真分析与实际测得的偏转角度—输入气压曲线的变化趋势基本一致。研究表明，所建立的单向转动软体驱动器力学模型能够较为准确地描述驱动器偏转角度的变化，所建立的手指位姿方程能够根据各关节的偏转角度求得手指各个节点的空间坐标,为手指的运动控制提供了基础。     

多腔体式仿生气动软体驱动器的设计与制作

软体驱动器是一种由柔软材料组成,并主要通过弹性材料的弯曲、收缩或伸长等来实现运动的执行器。软体驱动器是实现仿生软体机器人运动和动作的关键部分,开发适用的软体驱动器是进行仿生软体机器人研究的前提。为研究能够驱动软体机器人的仿生软体驱动器,基于目前常见的软体驱动器形式,提出并设计了一种多腔体式仿生气动软体驱动器。该气动软体驱动器主体结构采用硅胶材料制作,能够利用3D打印的模具进行成型。该驱动器主体结构加上底面或经组合后,可以分别得到伸长驱动器、单向弯曲驱动器及双向弯曲驱动器,能够实现类似身体柔软类动物的仿生变形运动。分别对上述3种软体驱动器的静态特性进行了测试,结果表明,在15kPa压力下伸长驱动器的伸长率能够达到40%以上,弯曲驱动器在同样压力下也具有较大的弯曲变形。经实践证明,所设计的多腔体式仿生气动软体驱动器原理可行、制作工艺简单,能够在软体机器人及相关领域中得到广泛应用。     

用于手部运动功能康复的纤维强化型并联腔道式软体驱动器设计

为解决当前单一的弯曲/伸展辅助运动的软体康复手套不能提供手部完整的运动动作支持,对脑卒中后肌张力异常导致的手部运动障碍康复效果欠佳,设计了一种新的纤维强化并联腔道式软体驱动器(SPA)结构,该结构能够在三路组合压力驱动下实现三维方向致动,实现对手部伸展/弯曲、外展/内收、对掌/复位及其复合动作的支持。通过对手部基本动作元的分析,设计了新的驱动器结构,利用有限元工具对设计参数进行了验证,并建立了运动学描述模型;给出了新驱动器的制备方法,并对制备的新驱动器进行了加载测试和软体康复手套样机操作测试。测试结果表明,所设计的驱动器能够实现复合运动模式下的多指协同动作,支持手部运动多模式的辅助康复,并显著提升患者手部敏捷交互操作能力。     

气动软体采摘机械手设计及实验研究

针对传统刚性采摘机械手适用范围小、环境适应性差及对果蔬损伤大等问题,设计了一种面向沙果采摘的刚柔耦合气动软体采摘机械手。根据沙果的结果特点以及采摘要求,确定了六指包裹式采摘形式。以龙丰果为例,建立了采摘机械手软体手指弯曲角度计算模型,确定了单指的弯曲角度;通过3种硅胶材料的拉伸对比实验,选定HY-E620型硅胶作为软体手指的材料;开展了多种结构对软体手指弯曲性能影响的ABAQUS有限元仿真分析,确定了较优的结构;利用实验测定了不同驱动气压条件下单根软体手指弯曲角度与输出力的对应关系,并在0.08 MPa驱动气压下对多种水果进行三指抓取实验,验证了软体手指结构的合理性。最后,试制了六指包裹式气动软体采摘机械手,并分别对沙果、苹果、梨和橘子等进行了采摘实验。结果表明：所设计的采摘机械手不仅对含3~6个果实的成串沙果的采摘成功率达到80％,还可采摘苹果、梨和橘子等类球形水果,具有一定的通用性,可为水果采摘机械手的设计与研究提供新思路。     

气动齿状软体驱动器动力学建模与仿真分析EI北大核心CSCD

针对发生面内弯曲、超弹性材料气动齿状软体驱动器,从非线性本构关系出发,考虑几何非线性,基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)建立二维多梁结构的动力学模型。考虑多点接触,采用罚函数法对相邻气腔之间的软接触问题建模,避免相邻气腔之间的互相穿透,并能准确模拟相邻气腔从不接触到充分接触的变拓扑过程;相比于ANCF实体单元模型,二维梁模型计算规模小,更加高效。通过气动弯曲试验和ABAQUS仿真,验证理论模型的计算精度;在此基础上研究重力对软体驱动器构型的影响,分析充气速率和最终加载气压值对其动力学响应的影响。     

基于JACK的手机使用场景颈部及上肢关节舒适度评价分析

目的探索人体坐姿状态下握持手机最舒适姿势。方法基于人因工程学软件JACK,创建了三组不同百分位数字人P_S、P_(50)和P_(95),探究了颈部关节、肩部关节和肘部关节弯曲角度对颈部及上肢握持手机姿势舒适度的影响规律。并在Porter评价模型的基础上针对人体握持手机姿势构建了颈部及上肢关节舒适度评价模型。以颈部关节、肩部关节和肘部关节弯曲角度相对于Mode值的偏离值作为三组舒适度评价指标,并采用AHP法确定了三组指标的权重,根据所构建的颈部及上肢关节舒适度评价模型进行了舒适度评价。结果视距保持不变,随着颈部关节弯曲角度的增大,颈部及上肢关节舒适度呈先递增后递减的趋势。当视距在35 cm～40 cm之间,且颈部关节弯曲角度在17°～19°之间,肩部关节弯曲角度在12°～14°之间,肘部关节弯曲角度在120°～121°之间变化时,人体握持手机颈部及上肢舒适度指数大于0.8,为较舒适状态。结论该评价模型能够有效快速的进行关节舒适度评价。通过调节使用手机时关节弯曲角度,可以预防颈部及上肢关节疾病的产生。     

不锈钢晶间腐蚀弯曲评价方法的影响因素

用嵌含有GTN延性损伤模型的ABAQUS有限元法,模拟研究了不锈钢晶间腐蚀弯曲评价方法中材料力学性能、弯曲角度和压头直径对弯曲试样塑性应变分布、延性损伤和裂纹起裂的影响规律,分析了其对晶间腐蚀弯曲评价结果的影响。结果表明：随着试样弯曲角度的增大和弯曲压头直径的减小,试样拉伸面的塑性应变增加,试样越容易产生弯曲开裂;在晶间腐蚀弯曲评价标准中,当固定弯曲角度和压头直径时,对于塑性、韧性和抗断裂综合力学性能较低的不锈钢材料,在弯曲过程中材料本身会发生开裂;因此,需要考虑材料力学性能对晶间腐蚀弯曲评价结果的影响;对于该研究中的典型的奥氏体不锈钢材料,当其弯曲断裂应变低于0．51左右时,在弯曲过程中材料本身会发生开裂,不宜用弯曲方法来评价其晶间腐蚀敏感性。     

气动弯曲关节的特性研究

 通过应用弹性力学理论来确定人造气动弯曲关节的弯曲角度和压缩空气压力之间的关系． 建立了系统的数学模型，并且通过数字仿真从理论上研究系统的脉冲响应．通过实验方法测试表明，这种人造关节对于信号的输入具有快速的响应，并且适合模拟人体关节的弯曲和伸展运动．     

导电聚合物离子凝胶制备与电化学驱动性能研究

基于导电聚合物的电化学驱动器具有低工作电压、制备简单、易操控及低成本的优势，在软体机器人领域具有广阔的应用前景。目前多采用添加具有高电化学活性材料的方法提高其驱动性能，但纯导电聚合物电化学驱动器的驱动应变仍小于1%。通过添加剂调控导电聚合物的微观结构，获得了一种具有高导电性(1500S/cm)、高拉伸率(47%)的导电聚合物离子凝胶，其最大驱动应变达到1.4%,优于已经报道的导电聚合物电化学驱动器。这一结果表明，导电聚合物电极的微观结构对于电化学驱动器驱动性能具有重要作用，为后续研究提供了有益的借鉴。     

EPO材料缓冲性能的探究

目的通过试验对比EPE,EPS,EPO等3种材料缓冲性能的优劣。方法对一定规格的3种材料试样进行静态压缩试验、动态压缩试验,并结合Ansys有限元仿真技术,进行数据处理分析。结果在静态缓冲特性试验中,当材料所受应力大于3.5 kPa且小于180 kPa时,EPO与EPE及EPS的静态缓冲性能系数大小关系为EPEEPOEPS;当应力小于3.5 kPa或者大于180 kPa时,EPO的静态缓冲系数最小,即此时EPO的静态缓冲性能优于EPE和EPS。从动态缓冲特性试验中可知,静应力小于10 kPa时,3种材料的缓冲性能大小为EPSEPOEPE;当静应力大于14kPa时,缓冲性能大小排序为EPSEPOEPE;静应力大小介于10 kPa和14 kPa之间时,3种材料具有相似的缓冲效果。EPO材料动态缓冲特性处于EPE以及EPS之间,当静应力较大时,EPO呈现出与EPE更相近的性能,缓冲性能较EPS有所提升。结论经测试比较,EPO材料具有较好的缓冲性能,某些环境下可以作为新缓冲包装材料使用,未来有较好的发展前景。     

Soft Pneumatic Actuators with Controllable Stiffness by Bio-Inspired Lattice Chambers and Fused Deposition Modeling 3D Printing

This article shows how changing 3D printing parameters and using bio-inspired lattice chambers can engineer soft pneumatic actuators (SPAs) with different behaviors in terms of controlling tip deflection and tip force using the same input air pressure. Fused deposition modeling (FDM) is employed to 3D print soft pneumatic actuators using varioShore thermoplastic polyurethane (TPU) materials with a foaming agent. The effects of material flow and nozzle temperature parameters on the material properties and stiffness are investigated. Auxetic, columns, face-centered cubic, honeycomb, isotruss, oct vertex centroid, and square honeycomb lattices are designed to study actuators’ behaviors under the same input pressure. Finite-element simulations based on the nonlinear hyper-elastic constitutive model are carried out to precisely predict the behavior, deformation, and tip force of the actuators. A closed-loop pneumatic system and sensors are developed to control the actuators. Results show that lattice designs can control the bending angle and generated force of actuators. Also, the lattices increase the ultimate strength by controlling the contact area inside the chambers. They demonstrate variable stiffness behaviors and deflections under the same pressure between 100 and 500 kPa. The proposed actuators could be instrumental in designing wearable hand rehabilitative devices that assist customized finger and wrist flexion-extension.     

光线弯曲对激光测量热钢板厚度的影响

以无热源大平面空气壁模型,用传热学理论计算了大平面热钢板附近空所的一维温度分布,从而得到了大平面热钢板附近空气的一维折射率分布。利用光线折射理论,求出了光线的传输路径和像点的偏离量。分析和计算表明：当钢板温度、测量角和测量距离等参数增大时,像点偏离值就随着增大。对于钢板激光测厚系统,采用单表面单光路时,光线弯曲引起的测量误差较大,并且基本不随测量厚度减小而减小。采用完全对称的双面双光路时,左右光路的像点偏离正好抵消,光线弯曲引起的测量总误差很小,而且随测量厚度减小而减小。     

单屏式多点气流温度传感器现场校准工况参数影响分析

采用数值仿真的手段对燃烧室试验环境下单屏式多点气流温度传感器进行仿真计算,改变温场、流场环境,分析研究了来流总温、来流总压以及马赫数等工况参数对单屏式多点气流温度传感器的测量结果的影响规律,并用试验进行验证.数值模拟结果表明:在燃烧室试验环境下,单屏式多点气流温度传感器的测温偏差随着来流总温的增大而增大,每增加1000...     

Magnetically and Electrically Responsive Soft Actuator Derived from Ferromagnetic Bimetallic Organic Framework

The advancement in smart devices and soft robotics necessitates the use of multiresponsive soft actuators with high actuation stroke and stable reversibility for their use in real-world applications. Here, this work reports a magnetically and electrically dual responsive soft actuator based on neodymium and iron bimetallic organic frameworks (NdFeMOFs@700). The ferromagnetic NdFeMOFs@700 exhibits a porous carbon structure with excellent magnetization saturation (166.96 emu g⁻¹) which allows its application to a dual functional material in both magnetoactive and electro-ionic actuations. The electro-ionic soft actuator, which is fabricated using NdFeMOFs@700 and PEDOT-PSS, demonstrates 4.5 times higher ionic charge storage capacity (68.21 mF cm⁻²) and has excellent cycle stability compared with the PEDOT-PSS based actuator. Under a low sinusoidal input voltage of 1 V, the dual-responsive actuator displays bending displacement of 15.46 mm and also generates deflection of 10 mm at 50 mT. Present results show that the ferromagnetic bimetallic organic frameworks can open a new way to make dual responsive soft actuators due to the hierarchically porous structures with its high redox activity, superior magnetic properties, and larger electrochemical capacitance. With the NdFeMOFs@700 based soft actuators, walking movement of a starfish robot is demonstrated by applying both the magnetic and electric fields.     

深部复合地层管片衬砌与可压缩层联合支护技术研究

深埋盾构隧道所受围岩压力主要为围岩挤压型大变形产生的形变压力,其主要特点是变形持续时间长且具有重复性,支护完成后围岩压力仍将持续增大,企图通过增加支护刚度来抑制围岩变形是不现实的,采用让压支护是解决问题的一个方向。同时,深部围岩赋存条件复杂,岩体结构复杂多变,盾构隧道穿越复合地层不可避免。以国内两座大埋深盾构煤矿斜井为背景,采用相似模型试验和有限元数值计算手段,对比分析不同复合地层条件下管片衬砌+可压缩层联合支护时管片衬砌的力学性能。研究结果表明：在模型正确建立且参数取值合理的前提下,有限元数值计算结果可以和相似模型试验结果很好的吻合。均一地层条件下可压缩层可使管片最大弯矩减小12.5%~19.9%,最大轴力减小14.2%。复合地层使管片弯矩量值和分布均产生明显变化,但对管片轴力的影响则不明显,管片弯矩对复合地层抗力更为敏感,而轴力对复合地层抗力不敏感。有可压缩层情况下,复合地层中管片内力分布更加均匀,轴力的变化不明显。复合地层相对厚度对管片最大正弯矩的影响较为稳定,对管片最大负弯矩影响显著,使其产生位置偏向相对较软一侧的地层,且相对厚度越大偏移越明显。\     

Laminar flow meter with straight glass capillary

The Center for Measurement Standards (CMS) developed a laminar flow meter (LFM) as a transfer standard. This LFM consists of a single, straight glass capillary or multiple straight glass capillaries connected in parallel. Two gauges and one thermometer measure the inlet/outlet pressure and inlet temperature, respectively, and the differential pressure was restricted to between 2 kPa and 100 kPa. The glass capillaries were manufactured by laser machining, which resulting in consistent inner diameter and straight flow path. Characteristics of the glass material also prevented the capillary from bending during installation. The LFMs were calibrated against the CMS piston prover primary standard and the calibration data were fitted using a theoretical LFM model and a 2nd order polynomial. The turndown ratio of this approach was higher than 20 and the residuals were within 0.11%. The reproducibility/repeatability within 0.03% indicated that this LFM could be used as a transfer standard. Measurement with dry air demonstrated that these four LFE meters could span flows from 0.8 to 986 μmol/s within the deviation of ± 0.15% (1μmol/s is 1.3 cm³/min at 0°C and 101.325 kPa). Additional measurement with nitrogen demonstrated the feasibility of measurement with multiple gases.     

Modelling vacuum cooling process of cooked meat—part 1: analysis of vacuum cooling system

A mathematical model is developed to analyse the performance of a vacuum cooler. The model is based on the mass conservation of air and vapour in the vacuum chamber. In the chamber, the vapour evaporated from foods under the vacuum and the vapour removed by the vapour-condenser and vacuum pump contribute to the variation in the vapour partial pressure, and the ingress air and the air released by the pump cause the change of air partial pressure. Experiments were carried out on vacuum cooling of water to validate the model. The predicted vacuum pressure and temperature histories are compared with the measured values. The maximum deviation between the predicted and measured vacuum pressure is within 110 Pa (for the chamber pressure between 12,000 and 2200 Pa), while the maximum deviation between the predicted and measured temperature of water is less than 2 °C. The model can, therefore, be used to predict the transient vacuum pressure profiles for analysing the vacuum cooling process of foods such as cooked meat.     

基于高阶剪切理论的复合材料格栅夹层板弯曲特性

基于高阶剪切弯曲理论,对含有软质芯材的复合材料格栅夹层板的弯曲特性进行了理论研究。基于能量法,推导了含有软质芯材的复合材料格栅的等效弹性参数计算式;基于高阶剪切弯曲理论,推导了夹层板的弯曲平衡微分方程,并采用Navier方法,给出了分布载荷作用下四边简支、上下表层为对称正交铺层的夹层板弯曲问题的理论解;用算例对典型格栅夹层板的理论解和有限元仿真解进行了对比,两者误差为7.1%,验证了本文理论方法的正确性;并分析了夹层板跨厚比、格栅厚度、格栅复合材料铺层角度、格栅间距等参量对含有软质芯材的典型复合材料格栅夹层板弯曲挠度的影响规律。