三关节式软体驱动器的设计及其弯曲性能分析

针对传统的刚性机器人在辅助人体康复训练时存在康复效率低、易造成人体二次损伤等问题,依据人体手指结构及其关节的运动范围,提出了一种由硅胶材料制成的三关节式软体驱动器。首先,根据 Yeoh 超弹性材料本构模型和虚功原理,在理想条件下建立了软体驱动器气囊的弯曲角度与输入气压之间的非线性数学关系,进而研究在一定气压下驱动器不同结构参数对其弯曲性能的影响;接着,通过有限元模型仿真得出了驱动器壁厚、底层厚度和腔室外直径对驱动器弯曲性能影响的显著性排序;最后,通过 3D 打印及模塑成型工艺,制作了三关节式软体驱动器,搭建了软体驱动器弯曲性能测试平台以测试其弯曲性能。结果表明：随着输入气压的增大,软体驱动器弯曲角度的理论计算结果与实验结果的相对误差逐渐减小,当气压高于20 kPa时,其最小相对误差为1.48%;当腔室内部气压为50 kPa时,软体驱动器输出力为0.45 N。可将软体驱动器应用于人机交互的辅助康复领域,后期有望应用于农业和生物医学领域。     

电流体泵驱动的柔性弯曲执行器的设计及分析

针对目前柔性执行器需要外置的刚体泵和阀的问题，基于人手指弯曲抓握的运动特点，设计了一款由内嵌电流体泵驱动的柔性弯曲执行器。设计了电流体泵，通过实验分析了电流体泵的极板间距和电极孔直径对电流体泵输出流量和压强的影响，确定了电流体泵针电极、孔电极等部件的尺寸，研制了电流体泵样机。将多个电流体泵串联及并联，分别得出了输入电压与输出流量、输出压强的关系，确定了以2个电流体泵串联的方式来驱动软体执行器；建立了柔性执行器的力学模型，对柔性执行器进行了弯曲仿真和实验，得到了驱动压强与柔性执行器弯曲角度之间的关系，证明了柔性执行器具有良好的弯曲性能。弯曲角度的实验值、仿真值、理论值较一致，理论模型和仿真模型可以较为准确地描述柔性弯曲执行器的弯曲变形。电流体泵与柔性执行器高度集成，使电流体泵可以直接驱动柔性执行器弯曲变形，实现了柔性弯曲执行器的可携带性。     

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。     

双输入整形器抑制两轴转动太阳翼调姿后的残余振动

在非惯性系下建立太阳电池翼的运动方程,完成双输入整形器的理论推导,解决两轴转动太阳电池翼调姿后的残余振动问题。双输入整形器根据太阳电池翼的结构固有振动特性,包括固有频率、阻尼比、质量阵和模态向量,针对每个转角输入设计基于连续传递函数的双输入整形器,用于抑制两轴转动太阳电池翼调姿后的残余振动。通过太阳电池翼弯曲－扭转两轴转动有限元模型动力学仿真,验证整形后的转角输入函数驱动太阳电池翼调姿能有效抑制残余振动,且在电池翼结构参数有所震荡的情况下具有较好的鲁棒性。     

柔性驱动对转子碰摩运动特性的影响

建立了柔性驱动转子系统的动力学方程，通过求解方程得到了柔性驱动器的扭转响应和转子与定子碰摩后的冲击角加速度响应。讨论分析了柔性驱动在控制转子碰摩运动中的作用，发现转子的冲击角加速度随柔性驱动器扭转刚度的增大而增大，随柔性驱动器扭转刚度的减小而减小，说明在转子系统其他参数不变的情况下，可通过调整柔性驱动器的扭转刚度以达到提高转子运动稳定性的目的。     

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。     

基于残余动量的两连杆柔性臂驱动器故障检测

综合考虑柔性臂质量与末端负载质量,采用Largrange方程和假设模态法,建立两连杆柔性臂动力学方程。基于动量导数,设计了残余动量算子。利用Matlab/Simulink中的弹性铰链搭建了柔性臂仿真平台;对驱动器无故障、单个故障及多个故障进行了仿真,对比分析了刚性臂和柔性臂相应残余动量的变化曲线。结果表明,残余动量适用于柔性臂;驱动器无故障时,残余动量近似为0;有故障时,残余动量变化曲线能反应出故障时间内驱动器力矩应有的大小和趋势,且对直接驱动连杆的残余动量影响最大。     

2-UPS/(S+SPR)R并联机构伴随运动与正反解分析

目的分析含有闭环单元的三自由度2-UPS/(S+SPR)R并联机构是否具有伴随运动,并对该机构的位姿正逆解进行分析。方法利用欧拉变化得到旋转矩阵,结合机构的结构特性建立约束方程,分析机构是否具有伴随运动和机构的位姿逆解。利用粒子群(PSO)算法分析机构的位姿正解。结果该机构不具备z轴方向的转动伴随运动,建立了位姿逆解方程;通过PSO算法在输入驱动参数的情况下,可以精确地得到动平台的位姿。结论机构不存在伴随运动,通过PSO优化算法得到了位姿正解精确的数值解,为分析机构的工作空间提供了良好的基础。     

基于迭代学习的柔性机械臂振动联合抑制方法

传统柔性机械臂振动联合抑制方法存在振动位移过大的缺陷，机械臂振动联合抑制效果不佳。为此，本文提出基于迭代学习的柔性机械臂振动联合抑制方法。分析柔性机械臂基座和关节重心间的关系，确定柔性机械臂的空间位姿，获取包括弹性变形模量、弹性变形系数、关节动能在内的柔性机械臂关节柔性参数，构建二阶非齐次线性方程，采用迭代学习求解方程的解，实现柔性机械臂振动联合抑制。实验结果表明：在位移跟踪角度60°与90°两种实验条件下，此次设计的柔性机械臂振动联合抑制方法，比奇异摄动方法、改进蚁群算法的振动位移均值分别少4.066 mm和4.255 mm，证明在融合迭代学习算法后，此次设计的柔性机械臂振动联合抑制方法效果更好。     

基于单元划分和连接关系矩阵的模块化并联机器人运动学建模

为了使模块化并联机器人的运动学变化能够响应其构型的变化，提出了基于单元划分和连接关系矩阵的模块化并联机器人运动学建模方法，并以3 PRC并联机器人构型为例进行了建模研究：根据模块化并联机器人的结构特点，从机器人机构的角度对运动副处进行模块化单元划分，用连接关系矩阵描述所有单元的连接关系，连接关系矩阵可以确定并联机器人的构型；建立各单元的运动学子模型，即在固定参考坐标系中用齐次坐标变换矩阵描述各单元装配接口的空间位姿；根据相互连接的单元间运动副的类型，分析装配接口间的装配约束条件，并构建运动副的约束连续性方程。综合所有单元的运动学子建模和约束连续性方程，即得模块化并联机器人的运动学模型。该方法可适用于串联、并联或混联等任何构型的机器人。     

单、双径向轴承安装时三叉式万向联轴器的附加弯矩分析

为找出三叉式万向联轴器在安装和使用过程中出现振动、噪声的原因,分析采用单、双径向轴承安装三叉式万向联轴器输出轴时联轴器附加弯矩随输入轴转角及偏转角的分布规律。首先建立2种安装方式下联轴器的运动简图,应用空间机构坐标变换技术建立输入轴与输出轴的关系方程,推导出系统存在偏转角时输出轴的运动方程,表明输出轴采用单径向轴承安装时三叉式万向联轴器为准等角速传动,采用双径向轴承安装时其具有等角速传动特性。其次分析这2种安装方式下作用在输入轴和输出轴上的附加弯矩分量,根据虚位移原理确定三叉式万向联轴器输出轴在2种安装方式下系统均出现附加弯矩。通过分析发现:采用单径向轴承安装时,存在偏转弯矩,且一个运动周期内附加弯矩的波动频率是输入轴的3倍,呈正弦曲线变化,且附加弯矩的变化趋势为随偏转角的增大呈直线上升;双径向轴承安装时,偏转弯矩为零,附加弯矩随偏转角的增大而逐渐增大,未出现波动。结果表明:2种安装方式下三叉式万向联轴器上均产生附加弯矩,从而使系统产生振动效应。该结果对研究系统产生振动的原因、确定系统非线性动力学行为具有重要的意义。     

Additional bending moment analysis of the trigeminal universal joint installed by single or twin radial bearing北大核心CSCD

To find out the causes of vibration and noise of the trigeminal universal joint which appeared in the installation and use process, the additional moment distribution with the varies of the input shaft angular and the deflection angle was analyzed. Kinematics diagrams of the trigeminal universal joint when the output shaft installed by single radial bearing or twin radial bearing were established. The system coordinates were established under the two installation ways, and the motion equations were established by the direction cosine matrix tools. It indicated that the trigeminal universal joint installed by the single radial bearing was an approximately isometric speed transmission, and was a constant velocity transmission with twin radial bearing installed. Furthermore, the additional moment component on the input shaft and the output shaft was analyzed under the two installation ways. According to the virtual displacement principle, the additional moment on the tripod universal joint when the output shaft installed by twin radial bearing and single radial bearing were determined. When installed by single radial bearing, the deflection moment exists and the vibration frequency of additional moment was three times of the input shaft as a sine curve. The variation trend of the additional moment was straight up with the increase of deflection angle. When installed by twin radial bearing, the deflection moment was zero and the additional moment increased gradually with the increase of deflection angle but did not fluctuate. The analysis revealed that additional moment existed in the trigeminal universal joint system under both installation ways would produce bending vibration. This study is of great significance to study the causes of vibration and determine the nonlinear dynamics of the system.     

柔顺停歇机构伪刚体模型的运动学和动力学分析

针对柔顺停歇机构的柔性构件在运动中产生的大变形、大挠度等几何非线性行为,采用伪刚体模型法来分析该类非线性大变形系统.首先,基于大挠度理论对大变形柔性梁进行屈曲分析,运用第一、第二类椭圆积分模拟初始状态为直梁的柔性梁,用多项式拟合得到其载荷—位移关系式.结合边界条件与受力特性,得到柔性梁的等效非线性弹簧伪刚体模型.在此基...     

转盘式多足仿生机器人的运动学分析及优化

为解决多足机器人控制系统复杂、加工装配困难的问题,设计了一种基于单自由度Jansen连杆机构的转盘式多足仿生机器人,并对其进行运动学分析和优化。首先,运用旋量理论对机器人的单条仿生机械腿进行自由度验证,并运用复数矢量法对仿生机械腿进行运动学求解,得到其足端运动轨迹方程及各关节的转动角度。然后,基于仿生机械腿足端的运动轨迹及其影响因素,分析了其优化方向。接着,提出了转盘式传动机构,并对仿生机械腿的转动关节和足端进行了优化,同时利用SolidWorks软件对转盘式多足仿生机器人的步态进行了时序分析。最后,制作了转盘式多足仿生机器人样机并分析了其在常规路况下的运动能力,验证了其可行性。结果表明,改变曲柄长度和机架水平倾角可优化多足仿生机器人的运动轨迹,使其更符合实际应用所需;转盘式传动机构与多条仿生机械腿的叠加,提升了机器人的环境适应性。研究结果为后续机器人系统的设计及工程应用提供了重要的理论依据。     

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.     

内啮合弧面凸轮机构的设计与分析

目的 研究内啮合弧面凸轮机构新的结构形式,推导其廓面方程,分析其工作性能,为其结构设计提供理论依据.方法 基于共轭曲面理论和微分几何原理,结合几何坐标变换理论推导内啮合弧面凸轮廓面方程和压力角的计算公式;运用Matlab得到压力角计算结果并进行分析;进行三维建模和ADAMS运动仿真.结果 得到了内啮合弧面凸轮廓面方程和压力角的影响因素,从动件运动规律对最大压力角影响显著,径距比越小,压力角越小.结论 弧面凸轮机构新形式的理论研究,拓展了弧面凸轮机构的应用领域,并为其结构设计提供了理论依据.     

空气冲击波作用于柔性防爆墙的透射和绕射效应分析

为研究爆炸空气冲击波作用于柔性防爆墙后发生的透射和绕射现象及规律,采用数值模拟方法计算了防爆墙在5、10、15和20kg四种药量TNT炸药爆炸冲击波作用下墙后压力流场的变化,分析了墙后发生的透射和绕射现象,比较了压力波形的变化特点,得到了墙后压力场变化分布规律。计算结果表明,柔性墙背后的压力存在两个主要峰值,分别为透射压力峰值和绕射压力峰值。透射压力峰值由柔性墙体变形运动引起,并与墙体变形速率有关;绕射压力峰值由冲击波在墙顶绕射传播引起。透射压力与绕射压力的分布与变化规律不同,需区别对待分析。