柔性仿生机器鱼驱动频率设计原则

通过理论分析得到柔性仿生机器鱼鱼尾固有频率的表达式,并从中获得一种改变固有频率的方法,设计制作3个固有频率不同的柔性鱼尾并进行试验。所描述的获取鱼尾材料参数的方法更加可靠,驱动频率范围更高。试验得出:驱动频率接近固有频率,可改善柔性仿生机器鱼的运动特性,并且,相对于1阶固有频率,驱动频率等于2阶固有频率时的运动特性更好。提出了根据驱动频率范围,设计具有更优运动特性的柔性仿生机器鱼,确定驱动频率的准则。     

SMA柔性扭转驱动器的结构设计与优化研究

设计了一种基于柔性结构的SMA扭转驱动器,通过加热SMA丝收缩带动柔性结构变形从而实现驱动器的扭转输出。柔性结构在SMA丝拉力作用下的变形情况对驱动器的转角输出有很大的影响,为获得最大的输出转角,需对柔性结构的形状和SMA丝的作用点位置进行优化设计。采用三次B样条曲线描述柔性结构的形状,通过有限元法分析柔性结构的变形,并应用遗传算法进行柔性结构的形状优化和SMA丝作用点位置优化。实际算例表明,利用优化方法可快速有效地获得使SMA柔性扭转驱动器输出转角最大的柔性结构形状与SMA丝作用点位置。     

记忆合金柔性机械手研究

介绍了一种新型SMA驱动器 ,从理论和实验上研究了驱动器的弯曲变形原理。通过开环实验 ,得到了SMA驱动器的控制模型 ,并对驱动器P+控制进行了实验研究。最后 ,利用多驱动器的组合制作了一柔性机械手演示装置 ,实验证明 ,该手爪能完成快速柔顺的抓取动作     

电磁驱动机器鱼实验平台的设计

这里首先分析了电磁驱动器工作原理,使用Maxwell软件对电磁驱动器建模并对通电线圈进行电磁仿真和动力学仿真得到通电线圈的运动规律,从而证明了以电磁驱动器作为动力源驱动机器鱼的可行性。基于读表法编写了用于控制电磁驱动器运动的正弦波程序,并结合驱动电路完成控制系统设计。最后完成电磁驱动机器鱼结构细节设计并开展水下游动实验,得出不同电压幅值和频率下机器鱼实验平台游动参数。     

仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析

针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题,文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼,实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计,提出了仿生机器鱼运动控制系统,为仿真和实验提供硬件基础;改进了仿生机器鱼运动学模型,提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数;基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析,得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况;采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果,改变胸尾鳍运动频率,设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。仿真结果表明,以尾鳍摆动幅度72mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3Hz等运动参数进行仿真,无胸鳍辅助游动的推进力为2N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.6N;实验分析结果表明,以最佳运动参数实验,无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。仿真和实验均说明,有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。     

基于介电弹性体的旋转步进柔性驱动器

为了适应未来小型自动化机器的驱动需求,设计并实现了一种基于单层介电弹性体薄膜的旋转步进柔性驱动器。相对于传统双轴拉伸装置,自制的八爪拉伸装置使介电弹性体薄膜的预拉伸更均匀。测试了不同预拉伸量下介电弹性体驱动器的最大形变量,确定了制作驱动单元所需的介电弹性体薄膜最佳的预拉伸量。最终通过合理的设计将棘轮机构和驱动单元相结合实现了旋转步进柔性驱动。由于介电弹性体驱动器存在迟滞现象,导致驱动器的步进频率会随着负载质量的增大而减小。通过调节驱动信号的频率,可以改变驱动器的负载能力及步进频率。试验结果表明,当驱动电压为4.53 kV,空载时驱动器步进频率最高可达2.3 Hz;负载时,最大负载为263 g,即峰值扭矩为13.15 mN·m,此时步进频率降至0.22 Hz。     

可调偏置式SMA双程驱动器设计及驱动特性分析

偏置式SMA弹簧双程驱动器的驱动弹簧和偏置弹簧一旦确定,则驱动器的工作温度就无法改变。针对这一缺点,设计了一种通过调节偏压力来改变工作温度的可调偏置式SMA双程驱动器。基于Brinson一维本构模型得到SMA弹簧理论模型,并结合弹簧受力变形分析设计了SMA弹簧和偏置弹簧。仿真得到SMA弹簧刚度-温度、驱动器位移-温度、驱动力-温度变化曲线,并对不同偏压力下驱动力随温度变化关系进行研究,结果表明所设计的驱动器可实现双程运动,调节偏压力可有效改变驱动器的响应温度。     

BCF仿生鱼游动机理的研究进展及关键技术分析

目前,仿生学者已经注意到身体/尾鳍摆动(Body and/or caudal fin,BCF)鱼类快速、高效的游动性能并制作多种基于生物原型的仿生机器鱼,但是,所研制的机器鱼样机性能与鱼类性能存在着较大的差距,这又进一步地促进了柔性鱼类快速高效游动机理的研究。从柔性鱼体游动过程中的机械特性和流场特性两方面出发,介绍国内外在BCF柔性鱼类游动机理方面的主要研究进展,重点讨论鱼类游动机理的变阻抗驱动和涡流控制两项关键技术。通过对鱼类游动机理研究成果的分析和总结,探讨柔性机器鱼研究的发展趋势。总的来说,随着BCF柔性鱼类游动机理研究的不断深入,仿生学科的交叉理论研究将得到进一步发展,仿生机器鱼与生物原型之间游动性能的差距也必将逐渐缩小,实际应用前景较为广阔。     

基于压电双晶片驱动的微型仿生机器鱼的设计

通过鱼类游动机理得到启发,将压电双晶片驱动器与柔性机构合为一体,设计了模拟鱼尾鳍摆动机构。应用尾鳍推进的流体力学理论以及刚体定轴转动理论建立其动力学模型。分析了柔性机构放大性能,设计计算了压电双晶片尺寸。     

一种摆动式柔性关节的遥控仿生机器鱼

该文提出一种波壳伸缩式摆动式柔性关节 ,突出了由弯曲关节构成的仿生机器鱼的设计。此关节采用板弹簧为柔性骨架 ,波壳弹性体受气压后轴向膨胀作为肌肉动力。文中给出了柔性关节的简单结构、仿生机器鱼的基本构造、接受与控制系统的硬件组成以及驱动系统的原理     

一种摆动式SMA活齿传动驱动器的设计与输出特性研究

设计了一种摆动式SMA(形状记忆合金)活齿传动驱动器,阐述了该种驱动器的工作原理,根据SMA相变机理和活齿传动的耦合力学模型,推导出在多路SMA驱动下的输出转矩。针对具体情况,给出了该种驱动器的一般设计方法,并考察了摆杆放大系数和活齿偏心距等相互耦合参数对驱动器输出特性的影响,给出了关键参数的最优取值范围。研究结果为SMA活齿传动驱动器的优化及输出特性分析提供了思路与方法。     

柔性薄膜复合形状记忆合金弹簧驱动器

针对形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)材料在使用过程中因其较低的响应频率而很难应用于高频率场所问题,在聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,简称PVDF)薄膜中引入锆酸铅钡(Pb_0.8Ba_0.2ZrO₃,简称PBZ)纳米陶瓷纤维制备柔性薄膜,并与NiTi合金弹簧复合制得PBZ/PVDF@SMA复合驱动器,通过薄膜的电卡效应加热及冷却SMA丝,与传统电流加热及自然冷却方式进行了对比。结果表明,缩短了SMA丝循环周期,提高了其响应频率,有利于扩大SMA的适用场所。     

两关节机器鱼无升潜游动动力学建模与仿真

以两关节机器鱼为研究对象,建立坐标系并选取合适的广义坐标,归纳出了两关节机器鱼无升潜游动动力学的正解和逆解问题.应用Lagrange方程,推导出了两关节机器鱼无升潜游动的动力学模型,给出了动力学模型中各个系数项的意义.通过机器鱼的动力学仿真,得到了鱼体摆动特性与机器鱼质量分布、尾部摆动频率的关系,给出了鱼体摆动对机器鱼运动学参数的影响.     

两栖仿生机器鱼行为方式及其实现

以两栖四关节机器鱼为研究对象,详细说明了一般鱼类的行为方式及机理,并以此设计出新型摆动式柔性尾部的仿生机器鱼。该机器鱼依靠简单可靠、成本低廉的机构,较真实地模仿鱼的动作,实现了机器鱼在水中的灵活游动和沉浮等,具有推进方式简单、推进效率高、转弯半径小、噪声低等优点,为水下作业、水下探测等创造了条件。     

基于积分鲁棒控制策略的气动柔性驱动器轨迹跟踪研究

软体机器人由于其固有的轻量性和柔顺性,在各个领域受到越来越多的关注,具有广阔的应用前景。另一方面,它具有复杂的结构和非线性特性,给系统建模和控制器设计带来了困难。综合比例阀模型和柔性驱动器的辨识模型,得出总体系统控制模型,设计可实现高精度跟踪的积分鲁棒控制器。通过对柔性驱动器进行轨迹跟踪的对比实验,验证了模型和控制策略的有效性。     

介电型EAP柔性摆动驱动器研究

为研究介电型EAP摆动驱动器的性能,设计制作了柔杆式介电型EAP摆动驱动器。对驱动器的摆动性能进行了测试,获得了不同施加电压下驱动器的摆动角度与阻转力。结果表明,随着施加电压的增加,驱动器的摆动角度、阻转力也在增加,且在电压较大时增加更快。此外,EAP的拉伸率对驱动器性能也有一定的影响,并指出了该驱动器在结构与性能优化的基础上,可潜在用于仿生机器人的摆动驱动。     

介电型EAP柔性摆动驱动器研究

为研究介电型EAP摆动驱动器的性能,设计制作了柔杆式介电型EAP摆动驱动器。对驱动器的摆动性能进行了测试,获得了不同施加电压下驱动器的摆动角度与阻转力。结果表明,随着施加电压的增加,驱动器的摆动角度、阻转力也在增加,且在电压较大时增加更快。此外,EAP的拉伸率对驱动器性能也有一定的影响,并指出了该驱动器在结构与性能优化的基础上,可潜在用于仿生机器人的摆动驱动。     

基于SMA的混合驱动器设计

设计一种SMA一电机并联混合直线驱动器,兼具SMA输出力大与电机位移控制精度高的综合优良性能,实现力与位置双重要求。依据驱动原理,采用3D软件设计该驱动器的结构,并建立其动力学模型,提出一种位置控制策略。通过Adams动力学仿真和Matlab／Simulink动力学与控制系统仿真,验证了该驱动器适用于大负载情况,并能实现位置的精确控制。     

应用形状记忆合金的太阳帆板的振动控制

以挠性航天器的太阳帆板为研究对象,在建立挠性系统动力学模型的基础上,采用滑模变结构控制策略进行挠性航天器太阳帆板的振动控制,同时在帆板上植入SMA丝形成驱动器,并采用经典线性最优控制算法控制SMA驱动器。仿真结果表明,这样的控制规律有效抑制了帆板的振动。     

纳米级精度柔性机器人的设计方法及实现研究

从材料、几何结构、柔性铰链、驱动器、运动与负载及加工等几个方面总结了面向精密作业的柔性机器人设计准则。对柔性机器人的设计方法进行了探讨。以精密作业中的具体应用为例，依据这些设计方法与准则，从机械本体和驱动器控制2个方面详细描述了可实现纳米级精度的3自由度柔性机器人样机设计的具体实现过程，设计结果满足任务要求。