基于内嵌型光学弯曲传感器的软体手感知

软体仿人手的感知能力是实现友好交互和灵巧操作的重要条件.柔性的光学弯曲传感器由发光二极管(light emitting diode,LED)、光导纤维和光敏传感器组成,易嵌于软体手指内.经粗糙化的光导纤维可产生光线溢出,通过测量光能损耗量可获得软体手指的弯曲度;利用归一化标定软体手指初始(伸直)和最大弯曲状态的采样电压值,对归一化后的电压值进行均匀、非均匀和滞环分段,并融合5指弯曲信息实现连续运动检测、动作姿态和物体大小识别.实验结果表明,光学弯曲传感器可检测连续正弦运动状态;正确识别多种手势和抓握姿态;也可识别物体大小,结合滞环分段方法,解决单点分类切换存在振荡不足的问题,提高识别率.这种光学式柔性弯曲传感器具有电磁免疫、易于内嵌的优势,在软体手和软体执行器中具有重要应用价值.     

用于康复训练的分段式气动软体驱动器

针对手指康复训练中软体驱动器贴合度低、灵活性差、运动传递不准确等问题,基于仿生原理设计分段式气动软体驱动器. 通过3个具有锯齿结构半波纹管气囊实现软体驱动器的分段弯曲,嵌入柔性应变传感器实现软体驱动器本体感知. 建立半波纹管气囊弯曲变形数学模型,借助有限元分析对半波纹管气囊进行分析,研究壁厚、波纹宽度、波距和波纹数目对该气囊弯曲性能和末端输出力的影响,选取软体驱动器尺寸参数. 采用3D打印技术及失蜡铸造工艺,制作分段独立驱动的软体驱动器. 特性测试结果表明：分段式软体驱动器最大弯曲角度为302°,末端输出力为3.33 N,能够带动手指进行分关节康复训练,内嵌的柔性应变传感器可以实时监测软体驱动器弯曲状态.     

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.     

网络式气动软体驱动器设计、制造与实验

采用硅胶材料设计了一种网络式气动软体驱动器,软体驱动器在通气条件下可实现弯曲变形。设计了驱动器模具,并制作了驱动器样机,进行了驱动器静力学实验与有限元仿真。结果表明：软体驱动器具有较好的柔性和灵活性,最大弯曲角度可达到323°。该研究为软体驱动器的进一步应用奠定了基础。     

软体弯曲驱动器设计与建模分析

设计一种新型软体驱动器,对其结构和弯曲原理进行了分析,利用Yeoh模型建立了适用于该类型软体驱动器的数学模型。使用Solidworks软件建立模型,并将其导入Abaqus CAE软件中进行弯曲变形仿真分析。制作了软体驱动器,并对其弯曲变形进行了实验测试。新型软体弯曲驱动器结构的理论分析、有限元仿真计算和实际实验结果较为一致,获得的弯曲角度与内部气压的关系数据可为软体驱动器的控制设计提供依据。     

以Terfenol-D为核心元件的致动器低频输出特性实验研究

对无偏置磁场时低频(0～20Hz)范围内致动器的输出位移和致动器中Terfenol-D棒的伸长量同时进行了实验测试,并分析了致动器输出位移与Terfenol-D棒伸长量之间的关系.实验主要进行了交流输入电流频率一定时改变输入电流值和交流输入电流值一定时改变输入电流频率两种情况.分析实验结果可知,致动器的输出位移比致动器中Terfenol-D棒的伸长量小,器件有机械损耗,可见器件的结构设计有很重要的意义.为发挥Terfenol-D棒的性能,提高器件效率,可以优化结构设计.该实验研究结果对致动器的设计、优化具有一定的指导作用.     

稀土超磁致伸缩微致动器设计与实验

作为微制造平台主动隔振系统微致动器核心部件,超磁致伸缩微致动器的工作性能将直接影响整个系统的控制精度.选择Terfenol-D作为微致动器主要材料,设计了一种新型超磁致伸缩微致动器.电磁结构设计中,采用电磁场解析计算进行初步设计,进而采用有限元法对致动器的结构和线圈参数进行进一步的分析与优化.静态特性实验结果表明,该微致动器具有较大的静态位移输出、力输出及较小的位移滞回.     

合成射流用于翼型分离流动控制的研究

合成射流技术是最近发展起来的一种新概念的流动控制技术。该技术的核心是合成射流致动器。实验中利用热线风速仪对致动器喷口的速度进行了测量,以便于确定驱动条件。然后进行了翼型流动控制的实验。实验结果表明所设计的合成射流致动器对翼型的失速特性有一定的改善,翼型的最大升力系数得到不同程度的提高。文中还就存在的问题进行了探讨性的分析和总结。     

基于GMM微进给刀架的温度特性分析

在分析超磁致伸缩微致动器的特点、工作原理以及应用研究现状后,给定致动器各种参数,利用有限元分析软件分别对致动器在无水冷以及强制水冷两种工况下进行瞬态热分析,得到GMM棒表面的温度分布云图以及沿轴向的温度分布曲线,为GMA微驱动器的设计提供理论基础.     

一种超磁致伸缩致动器温度控制系统的设计与分析

根据超磁致伸缩致动器(GMA)的热特性,设计了一种具有内外双层铜水管冷却结构的温度控制系统,在精确控制致动器温度的同时,有效降低了致动器的输出误差。利用ANSYS有限元分析软件对GMA温度场进行了稳态和瞬态分析,结果表明,所设计的温度控制系统能够精确控制致动器温度,大大提高了致动器的输出精度。最后搭建温控实验平台,通过无水冷和强制水冷实验可知,双层铜水管冷却结构的温控系统,大大减小了热变形对GMA输出精度的影响,温控效果十分显著。     

气动软体驱动器的设计

根据人手指外骨骼关节结构,提出硅胶多腔体仿人柔性关节,设计了一种用于手部康复机器人的气动软体驱动器,详细阐述了驱动器的制作流程。采用Abaqus软件对软体驱动器进行有限元仿真,给出不同气压下的仿真图形。仿真结果表明,提出的软体驱动器的理论模型与实验数据基本吻合,相对于其他结构,整体的稳定性,抓取能力更强,为以后仿人柔性机械手的应用提供了支撑。     

超磁致伸缩致动器结构设计与静态特性实验

对超磁致伸缩致动器的结构如驱动磁场、偏置磁场、预压结构、水冷机构等进行设计,利用致动器加工实物,完成致动器的静态特性实验,获得不同预压力和驱动磁场强度下的致动器输出位移曲线,并得到了最优参数。     

基于CPM理论的仿生康复手嵌入式系统的研究

依据连续被动活动(CPM)康复理论开发了一种手指康复治疗机,其上共有3个手指、8个驱动电机和22路控制信号.采用了一种基于ARM920T内核的16/32位RISC的嵌入式处理器S3C2410作为计算和控制处理单元,并通过S3C2410的SPI接口来传递数据与指令,从而可以驱动电机并控制22路信号实现伸展/弯曲运动.最后通过两个实验分别验证了电机控制的可靠性和仿生手指的弯曲运动.     

气动柔性五指机械手运动空间与抓取实验研究

设计了一种气动柔性五指机械手,采用单驱动型和多驱动型单向弯曲柔性关节作为单自由度手指关节,可完成多自由度抓、握、捏等人手灵活动作;搭建机械手运动学实验平台和抓取实验系统,利用3D运动捕捉系统,得到了机械手各手指运动空间,机械手可稳定抓取日常生活中不同外形和质量的物体,验证了其有类似人手的抓取能力。实验结果表明：机械手各手指基本完成了设计要求,实现各自抓取功能,具有良好的柔顺性和适应性。     

导向管充气喷动床流动行为研究

在直径92mm的导向管喷动床内，引入充气，对充气对喷动床环形区内颗粒床层的压降、颗粒循环速率以及环形区内气体分布进行研究．研究发现：在临界充气速度范围内，环形区内颗粒床层的压降、颗粒循环速率均随充气速度增加而增加；环形区内气体速度随充气流量的增加而增加，且存在一个使颗粒床层保持稳定移动床的临界充气速度．建立导向充气喷动床的流动行为数学模型，计算值与实验值吻合，可作为导向充气喷动床设计与操作的参考。     

基于神经网络的大柔性灵巧手指弯曲角度预测

介绍了一种新型大柔性灵巧手指,该手指弯曲性能好、易于控制但数学建模复杂.基于BP神经网络基本理论,建立预测该手指弯曲角度的BP神经网络模型.通过大柔性灵巧手指弯曲特性实验获得样本数据,借助于MATLAB仿真软件中的神经网络工具箱作为开发平台,将实验样本数据用于BP网络训练.利用训练好的BP网络模型对手指弯曲角度进行预测,预测误差范围控制在3%以内.研究结果表明:这种神经网络模型能够准确预测手指的弯曲角度.     

一种用于流动控制的MEMS微致动器研究

设计制作了一种基于M EM S技术的微气泡型致动器,并对前缘布置有微致动器的三角翼进行了数值模拟,结果表明:微致动器可以改变三角翼前缘的旋涡流状态,扰动边界层分离,改变三角翼前缘分离涡的位置,合理布置微致动器可以获得一定的俯仰、滚转和偏航力矩,利用微致动器成功进行分离涡流控制。     

外骨骼康复机器人的正向运动学仿真分析

针对外骨骼康复机器人,本文根据人手的功能和运动约束,对机器人进行模块化设计,并建立了机器人位置正向运动学方程及外骨骼康复机器人抓取杯子的仿真模型,运用ADAMS/Hydraulics模块进行运动学仿真,仿真结果表明,虚拟手指运动机构实现了角加速、匀速、减速的运动状态,并得出了康复机械手关节角速度在0～170rad/s范围内人手可以完成关节弯曲运动的康复运动。虚拟指模型的运动学分析为外骨骼康复机械设备的研究提供了必要的理论依据和参数。     

通气孔对动叶冷却结构流动和换热特性的影响

为深入研究某型燃气轮高温旋转动叶片内部先进的复合冷却结构,采用三维气热耦合数值计算方法,模拟该叶片外部高温流场、内部前后冷却腔内蛇形折流通道复合冷却结构的流动性能与换热特性,研究前腔蛇形折流冷却通道在采用局部通气孔改进设计的条件下对整个旋转叶片外表面冷却效果与内部冷却通道流阻系数的改善程度。计算结果表明:在给定的冷气流量条件下,无通气孔设计时,叶片内部蛇形折流通道采用的气膜/冲击/扰流复合冷却结构能够对叶片整体带来较好的换热效果,并且叶片内、外表面温度分布都处于合理范围,但由于整个内部折流冷却通道流动阻力较高,导致对冷却气源供应压力要求过大,且前后冷却腔室进口设计压力差别较大;在内冷前腔局部位置设计冷气通孔结构,可有效降低前腔折流通道的流动阻力,在保证叶片换热效果没有受到明显影响的前提下,实现了所需冷气供应压力和冷气量同时显著下降,多腔冷却气体用量得到更好匹配。该改型设计提高了原型叶片的工程应用价值。     

微型超磁致伸缩高速阀致动器的优化设计

通过优化设计驱动线圈和Terfenol-D的形状尺寸,改善以超磁致伸缩材料Terfenol-D为主动材料的高速开关阀的性能.选择合适的漆包线线径以降低线圈电阻;优化线圈形状函数以提高线圈的磁场生成能力;改善Terfenol-D的尺寸来降低磁通路径的磁阻,减小涡流损耗,提高致动器的磁场利用率;兼顾提高致动器的能量转换效率,提出优化设计超磁致伸缩致动器的规律.两个致动器的实验对比验证了该设计方法的可行性.