基于堵塞原理的变刚度软体机器人设计与试验

软体机器人运动时具有高柔性,执行任务时又能展示出强刚度,在军事侦察、灾难救援等复杂环境探索与检测方面具有重要的应用价值。结合主动驱动的网络气动结构与被动驱动的堵塞机构的优势,提出实时变刚度的软体驱动器,研究其变刚度机理和动态建模方法。首先,提出了气动-堵塞机构耦合的软体驱动器模型;其次,利用赫兹接触模型,建立机器人运动数学模型,从理论上研究其变刚度形成机理;再次,利用有限元对气动驱动结构进行分析,研究空腔内压强、形状和大小对软体机器人弯曲角度的影响,并进行了优化;最后,制作了变刚度软体机械臂样机,验证了软体驱动器的变刚度性能与运动性能。该研究有望为变刚度软体机器人设计与刚度调控提供新的理论和技术支持。     

柔性齿条式变刚度关节驱动器设计与研究

关节驱动器对于提升机器人环境适应能力和降低能量消耗具有重要意义。设计并实施一种柔性齿条式变刚度关节驱动器,能够根据任务需要,实时调节关节刚度。详细阐述关节驱动器的变刚度原理,详细展示该关节驱动器的机械结构。建立柔性齿条式关节驱动器的静力学模型,推导关节刚度与调整位移之间的理论关系式。完成了软件仿真和系统试验,验证了本方案的可行性。柔性齿条式变刚度关节驱动器能够有效缩小驱动器的整体体积,同时具有较大的刚度调整范围以及较短的刚度调节时间。     

颗粒流驱动变刚度弯曲软体驱动器的设计及运动仿真

为提高软体机器人的承载能力,利用颗粒物质兼具流体和阻塞刚化的特性,设计了一种变刚度弯曲软体驱动器。以颗粒物质力学为指导,设计并制造了变刚度弯曲软体驱动器样机。通过试验获得了分别描述颗粒物质和变形腔材料的联合弹塑性模型、Ogden超弹本构模型,提出了软体驱动器运动过程的有限元仿真方法,搭建了变刚度软体驱动器实验平台。实验与仿真获得的弯角误差约为15.6%,利用颗粒阻塞原理可使承载能力提高约1.75倍。     

基于差动轮系的变刚度执行器及变刚度柔性手爪

结合差动轮系和杠杆原理设计了一种调刚范围从0～+∞的变刚度执行器,并完成了其结构优化设计和调刚能耗优化设计.该变刚度执行器具有变刚度范围大,调刚能耗需求低,占用空间小,易控制,响应速度快,可靠性强,技术实现可行性高等优点,具有一定的实际应用意义.在此基础上设计了一款欠驱动变刚度柔性手爪,将变刚度执行器作为手爪关节的驱动单元,通过调节变刚度执行器的刚度来改变手爪的刚度.最后,搭建了变刚度柔性手爪的硬件平台,对变刚度执行器进行了刚度测量,验证了所设计的变刚度执行器在进行刚度调节上的可行性.进行了变刚度柔性手爪的力控制实验,成功实现了对柔软物体的抓取.对变刚度柔性手爪的单指进行了性能分析,并验证了手指刚度与变刚度执行器刚度呈正相关关系,完成了变刚度柔性手爪性能实验验证.     

一种被动三自由度变刚度柔性基座设计

在一些大型航天器上,为扩大机械臂的工作空间,往往采用宏微臂组合的方式。当微臂工作时,宏臂相当于微臂的柔性基座。针对这种宏微臂串联组合方式,设计一种被动三自由度来模拟宏臂,用于微臂的地面试验。柔性基座实现了三自由度之间的耦合,且采用不同的原理实现了三自由度方向刚度的可调性。对柔性基座进行了刚度特性分析,得到了其变形角度的刚度阵,并对其刚度阵进行了分析。为柔性基座机械臂的动力学研究提供了实验平台。     

基于柔性并联机构的变刚度夹持器设计分析

提出一种新型双夹爪变刚度夹持器,每个夹爪是一个由四根对称旋转柔性支链组成的变刚度柔性并联机构（VSFPM）。夹持器由两个电动机驱动,其中一个宏动电动机用于控制夹爪的开合运动,适应被抓取物体的几何尺寸;另一个微动电动机用于控制柔性支链的旋转角度,以调整夹爪在开合方向的刚度,实现变刚度柔顺抓取,提高对被抓取物体几何形状、材料属性的适应能力。基于刚度投影方法,分析了基于旋转支链柔性并联机构在夹持方向上的变刚度原理;应用基于伴随变换的刚度分析方法,求得了夹爪在任意旋转角度下的刚度模型;通过有限元仿真分析,验证了刚度模型的准确性。此外,有限元分析结果表明,提出的VSFPM机构具有较大的刚度调整范围（0.178~9.663 N/mm）,为变刚度柔性夹持器设计提供了新的思路和方法。     

一种扭簧变刚度柔性关节的设计与研究

变刚度关节由于其固有的柔性特征,可实现人与机器人在非结构化环境下的安全交互.针对扭簧扭转时中径发生改变提出了一种具有非线性刚度的紧凑型柔性关节,并满足常用的力作用情景小载荷,低刚度;大载荷,高刚度.首先,给出柔性关节模型,采用扭簧以及开口套作为基本弹性元件,通过调节螺母滑块的位置,使钢球挤压开口套并改变扭簧中径,实...     

磁致变刚度原理的气动软体致动器设计与试验

软体机器人友好的人机交互特性使其在柔性抓取、生物医疗等领域有着广泛的应用前景。针对软体机器人“柔有余而刚不足”的缺陷,提出了一种具有快速、可逆变刚度能力的磁气混合驱动软体致动器。基于磁流变效应,设计了以磁流变弹性体材料作为基体的单自由度纤维增强型磁气混合软体致动器,并给出了软体致动器的浇注制造工艺。构建了磁-力耦合模型,分析磁流变弹性体中的刚度影响关系。基于自主开发的刚度测试平台,试验结果表明：设计开发的软体致动器可以在气压和磁场作用下实现可变刚度混合驱动,通过增加磁场强度可以明显提升软体致动器的刚度,最高可提高约40%。软体致动器末端位置控制实验结果表明：通过磁场激励作用,可将软体致动器携带负载的位姿保持能力提高1.4倍,具有动载荷下的位置保持驱动能力,调节响应时间小于1.5 s。     

变正压力非对称夹持惯性压电旋转驱动器

设计了以非对称机械夹持压电双晶片振子为驱动元件,支撑面之间正压力可以改变的非对称夹持惯性压电旋转驱动器。分析了该驱动器的运动机理,建立了非对称夹持压电双晶片振子的仿真分析模型,研制了实验装置,并采用ANSYS仿真分析和试验测试对比的方式,探讨了非对称夹持压电双晶片振子在对称方波激励电信号作用下的瞬态加速度响应情况。仿真分析和试验测试结果表明,在对称方波激励电信号作用下,非对称夹持压电双晶片振子具有较好的惯性冲击特性。试验研究了变正压力非对称夹持惯性压电旋转驱动器在不同旋转角度和激励电信号频率条件下的工作性能,结果表明:在夹持差为4mm,激励电信号电压为30V,激励电信号频率为5Hz,压电振子与接触平面之间夹角为50°时,研制的压电旋转驱动器能够明显减少惯性压电旋转驱动器回退的现象,可实现稳定单向旋转。     

绝缘子更换机器人变刚度机械手抓取仿真分析

绝缘子串属于硬而脆的玻璃制品,机器人进行绝缘子串更换过程中极易出现破碎现象。为防止绝缘子串更换工作过程中绝缘子串发生破裂,采用变刚度自适应柔性机械手进行绝缘子串更换作业。首先,对变刚度层状结构进行受力分析计算,得出变刚度层与压力以及薄膜层数之间的关系。然后,仿真分析变刚度层状结构以及柔性机械手在抓取过程中的应变情况,基于有限元仿真分析变刚度层与真空压力之间的影响。最后对柔性机械手夹持绝缘子串刚度变化进行有限元仿真分析,得出其表面应变情况,通过数据可知,抓取动作中,柔性机械手弯曲并未抓取绝缘子串时受力点弯曲应变小于0.05倍,当柔性机械手触碰到绝缘子串时应变急剧增大,此时施加真空压力,当应变达到最大值时,受到真空压力影响,应变在0.2倍左右浮动,验证了变刚度层状结构无损抓取绝缘子串的可行性。     

基于磁流变原理的变刚度驱动方法研究

针对机器人关节变刚度驱动的功能需求,提出了一种基于磁流变原理的变刚度驱动方法,该方法利用旋转式磁流变阻尼器力矩可控且响应速度快的特点,结合伺服电机与旋转式磁流变阻尼器,构成变刚度驱动器.基于变刚度驱动器构型,分析了变刚度驱动原理.完成了用于变刚度驱动器的旋转式磁流变阻尼器的设计,获取了阻尼器的力矩值与磁动势值.基于变刚...     

变刚度柔性驱动机构的设计与性能分析

可控变刚度柔性驱动机构具有柔顺性高、环境适应性强以及人机协同性好的特点。基于零长度机架四杆机构的传动原理,提出了一种变刚度柔性驱动机构,通过改变弹性体性质、弹性元件缠绕方式或配置方案,实现变刚度调节控制。通过构型分析、结构设计,建立柔性驱动机构的刚度和转矩模型,揭示了柔性驱动机构的刚度行为;利用拉格朗日法建立柔性驱动机构的动力学模型,并通过平均刚度求解获得频率理论结果;建立虚拟样机进行运动仿真,揭示了其性能特点,同时验证了理论分析的正确性。与其他同类设计相比,该柔性驱动机构具有小型化、轻量化的特点,适用性强,可以作为单独模块使用,也可以应用集成在外骨骼系统中。     

基于电磁变刚度的力控制装置研究

针对传统打磨工艺中接触正压力稳定性差、打磨后表面粗糙度高等问题,基于线圈-永磁铁非接触式共轴组合的电磁交互效应,设计了一种接触力实时可控的变刚度装置。基于Robertson理论,建立线圈-永磁铁电磁系统输入电流到输出力的解析映射模型。在此基础上,采用复化高斯积分方法对电磁力控装置的结构参数进行了优化设计。基于PID算法,设计了该电磁力控装置的自适应力控制策略。最后进行车身表面缺陷机器人自动化打磨对比实验,实验结果表明,电磁力控装置能有效降低打磨后的表面粗糙度,提高表面质量。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

气动软体机械臂模块变刚度性能分析

根据现有的气动软体机械臂的特征,为解决软体机械臂存在的结构刚度不足的问题,提出了一种软体机械臂模块。该模块采用耦合变刚度原理,由上下两端连接板、位于两连接板之间的外部弯曲硅胶气囊和中部变刚度硅胶气囊组成,可实现连续软体机械臂的模块化和变刚度,提升软体机械臂的负载能力。基于硅胶的超弹性材料特征,建立了新型软体机械臂模块的非线性力学模型并通过该模型完成了变刚度性能分析。在充分考虑各硅胶气囊的驱动力矩和模块的弯曲运动的基础上,设计了静态拉伸试验,对模块的变刚度气囊通过施加冗余驱动力矩来实现变刚度的效果进行了分析。通过试验与论证,总结出了模块充气压强与模块结构的刚度之间的变化规律,为气动软体机械臂刚度的计算和这种模块的实际应用提供了理论支持。     

微位移机构中变截面柔性铰链等效刚度的求解方法研究

对变截面柔性铰链的等效刚度k进行研究,提出了k值的两种求解方法:修正系数法与变截面法。通过实例计算,两种方法求得的结果基本一致,而变截面法更具有通用性且计算简便。采用变截面法计算了柔性微位移放大机构中变截面柔性铰链的等效刚度k,在此基础上,对机构进行了分析,求得不同载荷作用下机构的输入、输出位移及其放大比,同时对其进行有限元分析,两种结果具有较好的一致性,验证了k值计算的正确性,表明了变截面柔性铰链等效刚度计算方法的有效性。     

含弹性环的机器人关节变刚度驱动器设计分析

针对机器人与人共享工作环境所带来的人机交互安全问题及工作能耗大、效率低等问题,提出了一种含有弹性环的机器人关节变刚度驱动器;运用解析法分析了弹性环的刚度特性,得到其理论最大偏转角为1.5°;通过碰撞和抛球实验验证了所设计的关节驱动器的实际缓冲和储能效果;结果表明:所设计的含有弹性环的机器人关节变刚度驱动器具有良好的吸收冲击的能力,最大偏转角约为1.7°,可有效保护碰撞发生时的人机安全。同时,储能效果明显,可提高能量使用效率。     

基于气动柔性驱动器的手腕运动康复装置

针对传统的手腕康复训练器存在柔性不足,结构复杂,成本高昂等问题,基于一种可产生弯曲变形的气动柔性驱动器,设计出一种手腕运动康复装置。阐述了气动柔性驱动器和手腕康复装置的设计与制作方法,实验结果表明该手腕康复装置能有效地驱动手腕做运动康复训练,并具有很好的柔性。     

直线超声电机柔性夹持元件的设计

设计了一种带有柔性铰链的直线超声电机夹持元件,夹持元件的两边和中间带有圆弧柔性铰链。两边的柔性铰链起弹簧作用,以便施加合适的预压力;中间的柔性铰链能够消除定子装配中的附加应力,减小定子装配对定子振动模态的影响。利用有限元方法分析了柔性铰链的变形量与预压力的关系。实验结果表明,直线超声电机夹框的位移与预压力成线性关系,并与有限元计算结果一致。柔性夹持元件装配的定子没有干扰模态,两相模态一致性好,并具有线性的边界条件。