一种微小型蠕动机器人的步态分析

介绍了一种形状记忆合金(SMA)驱动的微型蠕动机器人的结构和工作原理,并对蠕动机器人的直线运动原理和转弯运动原理分别进行了详细的分析和论述。此外,还通过详细的实验对蠕动机器人步距与SMA驱动器电流的关系、蠕动机器人转弯角度与SMA驱动器电流的关系,以及蠕动机器人响应速度与SMA驱动器电流的关系进行了分析,并确定了SMA驱动器的加热电流。     

一种空间仿生柔性机器人设计与智能规划仿真方法

针对传统空间刚体机器人存在的自由度有限和环境适应性差等缺陷,基于生物体结构提出了一种受“尺蠖”与“蛇”启发的适用于空间在轨服务的柔性机器人。首先,搭建了柔性机器人原型样机,研究了镍钛形状记忆合金（SMA）驱动器的驱动特性,设计了可视化控制界面并通过实物实验验证了机器人原型样机的可操控性。然后,设计了一种基于所提柔性机器人结构的Q学习算法和相应的奖励函数,搭建了柔性机器人仿真模型并在仿真环境中完成了基于Q学习的机器臂自主学习规划仿真实验。实验结果显示机器臂能够在较短时间内收敛到稳定状态并自主完成规划任务,表明所提出算法具有有效性和可行性,强化学习方法在柔性机器人的智能规划与控制中具有良好的应用前景。     

基于SMA的关节驱动器的力学分析及控制

分析了一种用于水下微小型仿生机器人的形状记忆合金(SMA)关节驱动器的力学特性,并通过模糊控制的方法对其进行了实验研究。结果表明:对于物理特性呈非线性、温度滞后、时变和受温度影响很大的SMA驱动器来说,采用模糊控制的方法,能够使驱动器稳定、平滑的工作,尽管产生了轻微的超调现象,但收到了令人较为满意的效果。因此,将模糊控制方法应用于SMA驱动器的控制有一定的理论意义和应用价值。     

一种基于SMA的摆动式驱动器驱动原理及实验

在分析了形状记忆合金(SMA)弹簧电热驱动原理的基础上,对一种差动式关节型SMA驱动器进行了实验研究。实验结果表明:驱动电流和冷却条件对驱动器的摆动周期有很大的影响,增大电流会显著提高SMA驱动器的动作频率,但电流过大,易使SMA失去形状记忆功能,所以,电流应控制在一定的范围之内。驱动器的动作频率还受到冷却速度的制约,加快冷却速度也会提高驱动器的动作频率。     

形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金（SMA）丝驱动型仿生蝠鲼机器鱼．首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型．然后对能够模仿蝠鲼肌肉动作的智能材料进行了分析．最后设计了SMA 丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA 丝的热力学特性,确定了控制规律．该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔性仿生胸鳍,直线游动速度达到79 mm/s,最小转弯半径为118 mm．该机器鱼游动稳定性好,无噪声．     

仿生“蚯蚓”机器人的SMA 执行器实现

虽然从生物学角度来说,蚯蚓的波浪式运动机制已经相当清楚,但在小尺寸下人工蚯蚓的实现仍然是极具挑战性的工作.采用记忆合金材料(SMA),设计实现了用于仿生蚯蚓机器人的执行器,并通过该执行器的动作循环模仿,实现了蚯蚓的波浪式运动.实现的人工蚯蚓共有四单元,每一单元都有可独立驱动的执行器.执行器由一根或三根SMA弹簧构成,其波动式运动的最高频率为0.6 Hz.每一单元人工蚯蚓,都被覆特定形状的软硅胶皮,该硅胶皮提供了SMA执行器的对抗力,同时也是安装微型腿的平台,从而进一步提高了人工蚯蚓的运动效率.初步的测试显示该执行器工作有效,人工蚯蚓的运动速度可达2.5mm/s,与真实的蚯蚓运动速度相近.     

基于人工肌肉的仿生机器鱼关节机构设计与力学分析

在深入分析活鱼解剖结构的基础上,设计了一种人工肌肉驱动的鱼关节结构,介绍了形状记忆合金(SMA)人工肌肉元件的设计方法．对鱼的尾鳍摆动进行了力学建模,并加以简化．基于摆动过程的力矩平衡方程,对SMA驱动力矩与阻力矩、流体阻尼力矩及机构（流体）惯性力矩进行了分析,建立了各个参数之间的定量关系式．通过数据验证了模型的可靠性,为仿生机器鱼的研究提供了参考依据．     

形状记忆合金驱动的微电脑密码锁的设计

为了提高锁的安全性和可靠性,设计了一种基于形状记忆合金螺旋弹簧驱动的微电脑密码锁。详细介绍了锁的机械结构、硬件设计方案和软件设计方法,并给出了部分电路图和程序主要流程图。本设计结合单片机的智能性和形状记忆合金材料的形状记忆效应,实现了密码锁封闭式的机械结构,提高了控制的智能化程度,克服了普通锁需要随身携带钥匙且易丢失、保密性差的缺点,使得密码锁的安全系数极高。实践证明,该密码锁具有可靠性高、成本低、操作简便等特点,有较高的推广价值。     

形状记忆合金的驱动性能研究进展

简要介绍了SMA的物理与力学特性,并就其驱动性能的国内外研究现状进行了总结与分析.分析表明,利用SMA可以实时调控梁、板、柱等构件的应力分布,改变其受力状态.最后对目前研究中存在的问题进行了探讨,提出了应当开展的一些研究方向,展望了SMA在土木工程领域的应用前景.     

形状记忆合金手指系统的输出力自适应控制

形状记忆合金(SMA)是智能材料中的一种,具有功率重量比大、质量轻、无噪音等特性.作为驱动器有利于结构的小型化和轻型化.然而SMA的非线性、多映射的迟滞特性严重影响了输出力的精确控制.为此,本文提出了基于扰动补偿策略的自适应控制方法用于SMA输出力的精确控制.首先,搭建了SMA驱动的手指实验装置,建立了机理模型;其次,...     

基于SMA驱动模块的腕部柔性外骨骼设计

针对外骨骼机器人在仿生性、便携性及人机交互性上的问题,提出了一种基于形状记忆合金（SMA）驱动模块的腕部柔性外骨骼．首先,研究SMA弹簧的最大可回复拉伸长度与相变温度特性,建立SMA驱动模块的SMA弹簧与锰钢片的混合模型．然后,根据人体腕关节运动范围和所需拉力,对该混合模型进行参数优化．最后,提出了一种弹性元件势能、风冷和高低电流切换混合的SMA弹簧冷却方法,设计了基于运动角度和相变温度反馈的控制方法．为了验证腕部柔性外骨骼的实际使用效果,进行穿戴训练和测温实验．实验结果表明,该外骨骼的仿生性和柔顺性符合人体腕关节运动特性,其轻质、便携性可提高日常生活活动辅助效果．     

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理．为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度,理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差．给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系,同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态．最后,通过实验验证了理论推导的正确性．     

基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究

论述了一种微型机器鱼.首先对亚鲹科、鲹科和鳐科模式游动动作进行了简化和抽象,确定柔性弯曲是这三种模式的一种简化的游动动作.然后从乌贼鳍的肌肉性静水骨骼鳍的结构得出灵感,提出并研制了能够实现柔性弯曲的柔性鳍单元;它应用动物弹性机制,由形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）丝驱动.再对SMA丝进行了热力学分析,从而优化其驱动.最后,基于柔性鳍单元,设计了无线遥控的尾鳍推进微型机器鱼,并进行了游动试验;实现了亚鲹科和鲹科模式游动动作.该机器鱼无任何转动、滑动部件,能够实现快速、安静的隐蔽性游动.     

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性,选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究,对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析,同时对鱼鳍的结构进行简化．基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍．介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路．重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力;并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律．将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较,验证了数值仿真的合理性和正确性．通过上述分析,说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的．     

Modeling and control of McKibben artificial muscle enhanced with echo state networks

There has been a challenging work for using conventional techniques to model and control pneumatic artificial muscle (PM) due to poor knowledge and uncertainty of the process and/or complexity of the resulting mathematical model. Trying to deal with these problems, this study proposes a novel framework—Echo State Network (ESN) as a basis to implement the tasks in the PM's modeling and control. To describe the system dynamics and the external disturbance changes with time, the online ESN adaptation scheme is presented based on the recursive least squares (RLS) algorithm. Both simulation and experimental results show that the proposed procedure has better dynamic performance and strong robustness over the other typical/classical approaches.     

新型仿生水下子母机器人系统设计

传统的水下子母机器人在水下作业时母机器人会有噪音大、体积大和隐蔽性差的缺点,而且子机器人作为提高水下机器人位置精度和续航时间的重要手段大多采用尾部摆动、机身两侧划水、小型螺旋桨推进等方式,造成运动过程中稳定性差、噪音大而且尺寸难以微型化的缺点.为了克服这些不足,设计一种新型仿生水下子母机器人系统.该系统球形母机器人采用喷水电机进行喷水推进,减少噪音,增加隐蔽性,并为微型子机器人提供控制信号和能源.微型子机器人以樽海鞘为原型基于仿生原理设计,在水下运动透明度高、隐蔽性强、稳定性高.建立球形母机器人的喷水推进器和微型子机器人的微型驱动器的驱动力计算模型,同时建立微型子机器人的水下转向模型.最后制作子母机器人样机并进行子母机器人的水下运动实验,以验证所设计的子母机器人系统的有效性.     

SMA驱动丝的建模与仿真

研究SMA动力学优化模型,针对形状记忆合金(SMA)驱动丝具有强非线性、迟滞效应等特性,为设计SMA驱动丝的自适应结构,提出建立SMA驱动丝模型并提供高效的仿真方法。采用有限元软件实现了受轴向载荷的SMA驱动丝的仿真建模。对本构模型是根据自由能的一维热-力学耦合模型,可以同时复现形状记忆效应和超弹性。数值仿真能够引起材料相变的非均匀温度和应变分布。仿真结果表明,建立热-力学耦合模型,可为设计SMA驱动丝的自适应结构计算提供可靠依据。     

形状记忆合金复合结构无线应变监测的新方法

将一定体积分数的形状记忆合金丝埋入复合材料形成混杂复合结构,可明显提高结构的应变吸收能量,改善复合材料结构的韧性.选择将这种混杂结构中的一些增强形状记忆合金丝作为电容器的电极,将构成的电容器接到振荡电路,结构的变形引起电容量的变化,从而导致振荡频率的改变,通过测量振荡电路的频率可实现结构应变的无线监测.理论分析和试验结果表明:这种方法是可行的.     

形状记忆合金丝编织网气动肌肉机构及其阻抗控制

气动肌肉是仿生机器人研究的重点,为此,设计了形状记忆合金丝编织网气动肌肉机构.通过等效气缸和等效动力学分析,建立了输出力模型,设计了含位置PID内环的阻抗控制,并建立了阻抗模型,通过拉氏变换和频域分析给出了稳定条件.理论分析表明,合金丝的收缩可增大气动肌肉的输出力和调节刚度.在Matlab上开展阻抗参数对柔顺性影响的仿真实验,结果表明刚度对于接触力影响最大,阻抗控制可实现接触力和位置的协调控制.