介电型EAP卷绕式驱动器的实现与应用

基于介电型EAP(electroactive polymer,电活性聚合物)的优点,以VHB4910作为驱动材料,设计、实现了卷绕式二自由度驱动器,它可产生轴向伸缩和弯曲运动。对驱动器的性能进行测试,其最大轴向位移为6.78 mm,最大轴向推拉力分别为9.56 N、9.81 N;最大弯曲角度达87°,最大侧向力为1.04 N。在驱动器两端安装两对单向轮,实现了一个可爬行运动的机器人,该机器人可通过驱动器的伸缩和弯曲向前运动,其伸缩运动速度为1.55 mm/s,弯曲运动速度可达6.41 mm/s。试验证明介电型EAP可以用于实现微小型爬行机器人。     

尺蠖式直线微驱动器的设计

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力,并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系,根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,驱动器最大箝位力为216.43N,最大驱动力为13.5N,在驱动电压120V,频率95Hz时,达到最大速度48.91mm/s。     

微型六足仿生机器人及其三角步态的研究

基于仿生学原理,在分析六足昆虫运动机理的基础上,采用平面四连杆机构、蜗轮蜗杆减速机构、皮带传动机构、微型直流电机驱动和PC机控制方案,研制成一种新型"微型六足仿生机器人",其样机外形尺寸为:长30mm,宽40mm,高20mm,重6.3g.讨论了该机器人的运动步态并分析了其运动稳定性,实验结果表明该机器人具有较好的机动性.     

蠕动式气动软体管道机器人设计与实验

仿照蠕虫运动机理,利用自主研发的径向膨胀和轴向伸缩软体驱动器,研制了一种蠕动式气动软体管道机器人。研究了两种驱动器的结构设计和工艺流程;并进行了静力学实验,获得了驱动器静力学特性;依据轴向伸缩软体驱动器的形变原理,建立了机器人的运动学模型,获得了在不同气压、频率和负载情况下机器人的运动性能。结果表明,管道机器人具有较好的灵活性和适应性,可在一定直径范围的管道内自由爬行,爬行最大运动速度可达4.64 mm/s,负载能力为1000 g。     

线驱动混合关节机器人构型与运动控制分析研究

为提高工业机械臂的运动灵活性和避障能力,提出了一种由刚性旋转关节与连续型柔性关节构成的新型混合关节机器人,该机器人的关节轴线互相垂直并采用绳索驱动方式。首先,针对该混合关节机构,基于传统D-H参数法与弹性体常曲率变形理论提出了线驱动混合关节机器人运动学建模新方法。其次,在机器人建模分析的基础上,设计其运动控制系统,制备了原理样机。最后,开展原理样机实验,运动轨迹最大误差为10mm,实验结果验证了该混合关节机器人机构设计与运动控制的可行性。     

一种新型步进式管道机器人的设计与运动学研究

为增大管道机器人在管道内行程、提高其负载能力和自适应管径能力,设计了基于凸轮连杆组合机构的步进式管道机器人。凸轮机构实现周向伸缩运动,步进单元与凸轮伸缩机构协调运动实现步进运动。描述了该机器人的结构组成和行走机理,建立了数学模型和虚拟样机,ADAMS运动学仿真分析,结果表明,机器人步距99.55mm,步进速度3.78cm/s,步进运动速度平稳,加速度平缓,并具有一定的管径适应能力,该机构可以应用于其他类型管道机器人予以借鉴。     

负重爬树机器人设计及有限元分析

针对农林业领域复杂的树木检测环境,设计一种仿蠕虫爬行负重爬树机器人。通过提升机构的伸缩运动改变自身形态,以实现对树干的竖直攀爬运动;通过夹紧机构中推杆的伸缩,控制各夹紧机构对树干的夹持力;同时,对机器人在不同直径或倾斜度的树木攀爬时进行静力学分析,使机器人可根据得到的夹紧力范围自适应调节,提高机器人攀爬的稳定性和运动的灵活性。最后,通过ANSYS软件对机器人的机械结构进行有限元分析验证。结果表明,所设计的负重机器人携带检测设备爬树时,机器人总变形量最大值为5.24mm,符合结构安全性要求,且承载最大应力为100Mpa,符合机器人所选材料安全性要求,进而验证了机构设计的合理性。     

2-DOF并联行程放大机构结构参数优化

为研制一种能实现快速行走、运动灵活性好的仿生四足机器人,对一种能够实现机构末端位置行程放大的2自由度并联机构进行运动性能分析与结构参数优化,并将优化结果应用到仿生四足机器人的腿部机构,研制出样机。首先,推导2自由度并联行程放大机构位置反解,建立机构的线速度雅克比矩阵,对机构的工作空间进行分析。其次,建立机构运动灵活性能评价指标,揭示主要结构参数对灵活性能指标的影响规律。然后,采用容限加权法确定一组合理的结构参数,使运动灵活性能指标达到最优。最后,根据优化的结构参数设计出仿生四足机器人腿部机构和整体的虚拟样机,并进行虚拟样机运动仿真。仿真结果表明:并联行程放大机构各驱动参数变化平稳,理论速度和仿真速度误差在±1.6×10~(-6)m/s范围内,验证仿生四足机器人腿部机构设计方案和结构参数的合理性及理论推导的正确性,为该仿生四足机器人的进一步研究奠定了基础。     

柔性杆连接的仿壁虎机器人结构设计

设计并研制具有柔性元件的可采用人造壁虎脚掌吸附材料的足式仿壁虎机器人结构。针对采用人造壁虎脚掌吸附的足式爬壁机器人,仿照生物壁虎设计基于连杆的仿壁虎机器人结构,进行运动原理分析,对机构进行简化,以及自由度计算。设计相应的运动步态,选用对角线步态实现机器人的直线行走以及转弯动作。为简化机构并使运动柔顺,采用柔性杆作为仿壁虎机器人的身体连接件,通过对机构自由度的计算,分析机构的可行性,并结合静力学分析对柔性杆的选择进行讨论。在Adams软件环境下建立虚拟样机进行仿真和测量,对各关节的受力情况进行分析。通过实物样机爬行试验,验证了设计的有效性和可行性。     

压电驱动微小型管道机器人的研制

根据动力学原理 ,利用逆压电效应研制成功微小型管道机器人样机 ,分析了机器人的驱动原理 ,并据此研制了控制与驱动电路 ,给出了实验结果。样机质量为 4 .5g,外形尺寸为 10× 10× 16mm,可在玻璃管道内上下运动 ,向上运动速度可达2 .3 mm /s,向下运动速度可达 3 .3 mm/s,有望用于微细管道的检测与作业     

A new medical microrobot for minimal invasive surgery

A new medical microrobot to drive endoscopes into endocoeles is presented. The structure of the microrobot is very simple; it consists of a right spirally grooved micromotor, a left spirally grooved cylinder and a flexible coupling. When the micromotor rotates, a hydrodynamic mucus film is formed because highly viscous mucus exists in endocoeles. The mucus film can prevent direct contact between the microrobot and the endocoele, and the injury to organic tissues may be avoided. The locomotion speed and the hydrodynamic mucus film thickness formed when the microrobot drives endoscopes into endocoeles have been calculated according to hydrodynamic lubrication theory. The results indicate that the microrobot can be suspended to drive endoscopes quickly into endocoeles. This has been confirmed by experiments.     

泳动微机器人主体机构放大性能研究

泳动微机器人模仿鱼类游泳的方式驱动。文中利用柔性铰链和差式杠杆放大原理，设计了用于微位移 放大的泳动微机器人主体机构，并且在ＡＮＳＹＳ软件仿真的基础上，对微机器人主体机构的放大性能 进行了研究。研究表明在主体机构中适当减小柔性铰链转角刚度，可以显著改善微位移放大效果。     

废墟狭缝搜救机器人自动送进系统研究

为开发一种能够在废墟狭缝中运动与探测的搜救机器人,使之成为一种面向地震等自然灾害应用的高效救援手段,研究了机器人柔性本体自动送进系统。针对柔性本体在废墟狭缝中的送进难题,提出了"前拉后推"的双驱动方式,采用了两套驱动装置,即安装在本体头部的拉进装置和安装在本体尾部的推进装置,研制了一种可实现柔性本体在狭小空间中自动送进的机械机构和控制系统。经样机试验表明,该系统可较好地实现柔性本体在废墟中的自动送进,并实现预定搜救功能。     

PZT在拍翅式仿昆微型飞行机器人动力系统中的应用

分析了PZT驱动和拍翅式仿昆微型飞行机器人翅运动的特点，探讨了PZT在飞行机器人驱动系统中的应用，设计了一种具有两自由度的驱动机构，能够带动翅膀实现复杂的运动形式。     

A micro-coupling for micro mechanical systems

The error motions of micro mechanical systems, such as micro-spindles, increase with the increasing of the rotational speed, which not only decreases the rotational accuracy, but also promotes instability and limits the maximum operational speed. One effective way to deal with it is to use micro-flexible couplings between the drive and driven shafts so as to reduce error motions of the driven shaft. But the conventional couplings, such as diaphragm couplings, elastomeric couplings, bellows couplings, and grooved couplings, etc, cannot be directly used because of their large and complicated structures. This study presents a novel micro-coupling that consists of a flexible coupling and a shape memory alloy(SMA)-based clamp for micro mechanical systems. It is monolithic and can be directly machined from a shaft. The study performs design optimization and provides manufacturing considerations, including thermo-mechanical training of the SMA ring for the desired Two-Way-Shape-Memory effect(TWSMe). A prototype micro-coupling and a prototype micro-spindle using the proposed coupling are fabricated and tested. The testing results show that the prototype micro-coupling can bear a torque of above 5 N · mm and an axial force of 8.5 N and be fitted with an SMA ring for clamping action at room temperature(15 ℃) and unclamping action below –5 ℃. At the same time, the prototype micro-coupling can work at a rotational speed of above 200 kr/min with the application to a high-speed precision micro-spindle. Moreover, the radial runout error of the artifact, as a substitute for the micro-tool, is less than 3 μm while that of turbine shaft is above 7 μm. It can be concluded that the micro-coupling successfully accommodates misalignment errors of the prototype micro-spindle. This research proposes a micro-coupling which is featured with an SMA ring, and it is designed to clamp two shafts, and has smooth transmission, simple assembly, compact structure, zero-maintenance and balanced motions.     

微小机器人的移动方式

微小机器人是微机电系统研究开发的重要分支,各种微小机器人的研究成果不断涌现.受自身尺寸和作业空间的限制,微小机器人难以采用常规机器人的驱动器、传动机构和执行机构.根据移动方式的不同,将微小机器人分为腿足式、轮式、蠕动式和游动式等类型.讨论了各种移动类型的例子,分析研究了它们新颖的驱动机构.认为驱动器的微型化是实现微小机器人的关键,高效合理的驱动方式可降低对微小驱动器的要求.     

铁磁橡胶执行器与微型游泳机器人的尺度效应

对铁磁橡胶在外磁场作用下所产生的驱动力与特征尺寸的关系进行了分析,并研究了采用铁磁橡胶执行器驱动微型游泳机器人的原理与方法.尺度效应分析表明,将FMP微机器人从cm级尺寸减小到mm级尺寸是可行的.这一结果为进一步研制进入人体血管的微机器人奠定了理论基础.     

一种通用型负压软体机械手的设计与分析

由柔性材料制成的软体机械手不仅可以提高人机交互的安全性,而且对抓取对象也有一定的保护作用.设计了一种基于低成本3D打印技术的通用型负压软体机械手,该机械手主要由软体驱动器、手指和吸盘组成.软体驱动器提供动力,手指和吸盘用于抓取,且手指和吸盘既能独立又能组合工作.软体驱动器采用波纹管结构,并通过有限元仿真分析了不同结构参...     

Electromagnetic Steering of a Magnetic Cylindrical Microrobot Using Optical Feedback Closed-Loop Control

Control of small magnetic machines in viscous fluids may enable new medical applications of microrobots. Small-scale viscous environments lead to low Reynolds numbers, and although the flow is linear and steady, the magnetic actuation introduces a dynamic response that is nonlinear. We account for these nonlinearities, and the uncertainties in the dynamic and magnetic properties of the microrobot, by using time-delay estimation. The microrobot consists of a cylindrical magnet, 1 mm long and 500 µm in diameter, and is tracked using a visual feedback system. The microrobot was placed in silicone oil with a dynamic viscosity of 1 Pa.s, and followed step inputs with rise times of 0.45 s, 0.51 s, and 1.77 s, and overshoots of 37.5%, 33.3%, and 34.4% in the x, y, and z directions, respectively. In silicone oil with a viscosity of 3 Pa.s, the rise times were 1.04 s, 0.72 s, and 2.19 s, and the overshoots were 47.8%, 48.5%, and 86.8%. This demonstrates that closed-loop control of the magnetic microrobot was better in the less viscous fluid.