一种气-液复合驱动柔性关节的建模与动态仿真

提出一种结构新颖的柔性关节，此关节具有缓冲性好、动作灵敏的特点，多关节可组合成操作机械手。给出了关节的基本结构和工作原理，结合受力分析，建立了关节角位移与弹性波壳内腔压力间的数学表达式，确立了弯曲的弹性波壳的内腔体积与波壳整体弯曲角度之间的积分方程，构造了关节角位移与时间量之间的动态模型，并进一步根据示例进行了静态分析与动态仿真。     

一种铰链式气动缓冲性关节的建模与动态仿真

提出一种结构新颖的、弹性波壳伸缩的缓冲性手指关节,关节具有缓冲性好的特点,多关节可组合成操作机械手。文中给出了关节的基本结构和工作原理,结合受力分析,建立了关节角位移与弹性波壳内腔的气体压力之间关系的数学表达式与静力分析算法,同时确立了关节角位移的动态模型,并进一步根据示例进行静态分析与动态仿真。     

一种抗冲击柔性关节的设计及仿真分析

针对机械臂工作环境的动态变化以及人机交互安全性问题,设计了基于被动柔顺结构和主动柔顺控制的抗冲击柔性关节。在关节电机和负载之间加入串联弹性驱动器,并且设计了一种新型扭转弹性体作为弹性元件来代替传统扭簧。建立了柔性关节动力学模型,基于关节的多传感器感知能力制定了阻抗控制策略,最后对关节虚拟样机进行ADAMS/Simulink联合仿真来验证控制策略的可行性,结果表明该柔性关节具有良好的力顺应性和抗冲击特性,可以实现与环境之间的安全交互。     

板弹簧柔性手指关节弯曲的模型研究

提出一种波壳伸缩的手指关节,多关节的手指可组合成操作机械手。此关节采用板弹簧为柔性骨架,波壳弹性体受气压后轴向膨胀作为肌肉动力,关节的弯曲角度与弹性体内腔的气体压力有关。给出了关节的结构,介绍了手指关节的气动原理与控制方法,并分析了关节弯曲变形的静态模型。由此得出在受一大小变化的力偶和一大小、方向不断变化的切向力的共同作用下,悬臂梁大挠度变形的数学模型与数值解。     

机械臂柔性关节SEA设计与仿真分析

串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)可以有效提高关节的柔顺特性,但是也存在受力与形变强非线性的不足。为了提高SEA的线性特性,建立了双圆环间衔接曲梁模型,利用轴截面原点正应力公式求取梁模型不同点的应力公式,设计并验证了符合柔性关节的SEA;其次,对SEA的模型进行仿真分析,取7个点对其进行模型和实际的应力比较;最后,利用ANSYS对其进行强度仿真分析,分析各关节受力和变形,有效保证了SEA的线性特性,从而有效提高了柔性关节的力学特性。     

人工肌肉构成的多自由度柔性弯曲关节的模型研究

该文提出一种由压缩空气驱动而轴向膨胀的人工肌肉,采用圆杆弹簧为柔性骨架,多个人工肌肉可构成多自由度柔性弯曲关节。文中给出了关节的结构,介绍了手指关节的气动原理与控制方法,分析了弯曲角度与弹性体内腔气体压力的静态模型,得出了数学模型的数值解。     

考虑关节柔性的机器人制孔过程动力学仿真

工业机器人大多是由一系列连杆通过关节串联在一起的结构,因此刚性不足。进行制孔时,机器人容易受到切削力的作用产生振颤,影响到制孔精度。为进行机器人制孔过程动力学仿真,考虑机器人关节的柔性,将其简化成有刚度、阻尼的线性扭转弹簧,建立机器人动力学模型;采用数学分析和经验结合的方法,建立标准麻花钻的钻削力预测模型。以钻削力为末端外载荷,将两种模型联合,进行Simulink仿真。仅考虑制孔系统末端在钻头进给方向的动态变化,其导致进给量、钻削力的动态变化,这些将对机器人系统以及制孔质量产生影响。在某一位姿进行仿真,不同的钻削速度将会产生不同形式的关节变形以及钻削力变化,进而推测制孔系统振动效应,对提高机器人系统稳定性,提高制孔质量和精度有一定指导意义。     

一种摆动式柔性关节的遥控仿生机器鱼

该文提出一种波壳伸缩式摆动式柔性关节 ,突出了由弯曲关节构成的仿生机器鱼的设计。此关节采用板弹簧为柔性骨架 ,波壳弹性体受气压后轴向膨胀作为肌肉动力。文中给出了柔性关节的简单结构、仿生机器鱼的基本构造、接受与控制系统的硬件组成以及驱动系统的原理     

提高柔性冗余度机器人动态性能的冗余关节运动规划方法

通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素，得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。对柔性冗余度机器人关节运动的冗余特征进行了研究。在此基础上，构造出以冗余关节角为状态变量的优化控制结构，得出一种新的柔性冗余度机器人优化控制方法，该方法使各关节的运动简单易控、保证各关节的运动不越限，消除了机器人的终态自运动。     

基于Cosserat模型和位置动力学的柔性线缆实时仿真

为提高基于Cosserat弹性杆模型的柔性线缆仿真精度和实时性要求,提出一种将Cosserat弹性杆模型和位置动力学结合的方法,采用Cosserat弹性杆模型描述线缆的形变特性,在经典PBD框架下加入线缆离散单元方向变量,将线缆离散Cosserat模型的拉伸-剪切和弯曲-扭转应变约束作为约束函数扩展到PBD框架中,以此来进行约束投影,实现线缆空间位姿的实时求解,并通过实例验证了该方法的可行性。     

一种气动柔性机械指关节结构及其对操作压强的响应计算

提出一种波壳伸缩的手指关节,多关节的手指可组合成操作机械手。此关节采用板弹簧为柔性骨架,橡胶波纹管受气压后轴向膨胀作为肌肉动力。关节弯曲角度与关节内的气体压强有关;柔性的关节,有缓冲作用。文中给出了关节的结构,建立了关节弯曲变形的数学模型,推导出理论上确定变形状态与操作压强关系的一组非线性积分方程。同时研究了非线性行为的实用设计计算方法。     

天线座多柔体动力学建模与仿真分析

天线座作为支撑天线阵面探测目标的传动机构,是机械扫描雷达的一个典型部件,其动力学响应特性直接影响天线波束的指向精度。文中基于ADAMS仿真软件,以第1类Lagrange（拉格朗日）方程为建模理论,建立了天线座多柔体系统动力学模型,分析了天线座齿轮副接触力、转动角速度、转动角加速度等动力学响应特性,并与天线座多刚体动力学模型仿真结果进行了对比分析。仿真得到的天线座动力学典型数据与试验结果基本一致,表明文中采用的多柔体系统动力学建模方法及建模过程合理。该动力学建模方法可供后续类似结构设计借鉴和参考。     

Basic Characteristics of a New Flexible Pneumatic Bending Joint

Several typical flexible pneumatic actuators （FPA） and different mechanical models describing their behaviors have been proposed, however, it is difficult to balance compliance and load capacity in conventional designs, and these models still have limitations in predicting behavior of FPAs. A new flexible pneumatic bending joint （FPBJ） with special anisotropic rigidity structure is proposed. The FPBJ is developed as an improvement with regard to existing types of FPA, and its principal characteristic is derived from the special anisotropic rigidity structure. With this structure, the load capacity in the direction perpendicular to bending plane is strengthened. The structure of the new FPBJ is explained and a mathematical model is derived based on Euler-Bernoulli beam model and Hook’s law. To obtain optimum design and usage, some key structure parameters and input-output characteristics are simulated. The simulation results reveal that the relationship between the structure parameters and FPBJ’s bending angle is nonlinear. At last, according to the simulation results, the FPBJ is manufactured with optional parameters and tested. The experimental results show that the joint’s statics characteristics are reflected by the mathematical model accurately when the FPBJ is deflated. The maximum relative error between simulation and experimental results is less than 6%. However, the model still has limitations. When the joint is inflated, the maximum relative error reaches 20%. This paper proposes a new flexible pneumatic bending joint which has sufficient load capacity and compliance, and the mathematical model provides theoretical guidance for the FPBJ’s structure design.     

基于气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节设计与控制

关节是仿生机器人机械系统的基本组成元素。在面向环境交互的仿生机器人系统中,关节的质量、体积以及功/重比直接影响系统的工作性能。与传统的电气、液压驱动方式相比,采用气动肌腱的驱动方式具有质量小、体积小和高功/重比等优势,具有广阔的应用前景。从功能仿生角度出发,在分析人体肘关节骨骼结构特点和肌肉发力方式的基础上,设计一种基于气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节。建立单根肌腱的数学模型,通过搭建气动肌腱工作特性试验平台对肌腱进行性能测试,采用最小二乘法对模型参数进行辨识。针对拮抗式仿生关节的构型进行运动学和动力学分析,提出基于肌腱模型的偏置输入气压控制方法,设计基于关节估计阻尼的扰动观测器对名义模型进行补偿,通过数值仿真对控制方法进行有效性验证。建立仿生关节运动控制试验系统,通过单关节轨迹跟踪试验验证了肌腱理论模型的正确性及控制策略的有效性。     

气动柔性扭转关节静态模型

基于气动柔性驱动器(Flexible pneumatic actuator, FPA)研制一种气动柔性扭转关节,该关节主要由两个弧形的FPA组成,向这两个FPA充入压缩气体,关节转过一定的角度。分析扭转关节中FPA壁厚变化规律,对单个FPA的自由端进行力矩平衡分析,建立该关节的静态模型,构建试验系统对气动柔性扭转关节进行压力转角关系试验。试验结果与仿真曲线存在一定误差,分析影响扭转关节静态模型准确性的因素,并根据试验结果对扭转关节的数学模型进行修正,得到的修正模型能够较好地描述关节的充气过程和放气过程。     

气动人工肌肉驱动的柔性仿生肩关节结构设计与优化

根据人体肩关节的特点设计了一种气动人工肌肉驱动的柔性仿生肩关节,推导了该仿生关节的逆运动学模型;以仿生关节最小输出转矩、气动人工肌肉输出力模型以及最大收缩率作为约束条件,以仿生关节运动范围最大为目标函数,利用遗传算法对该仿生关节的多个结构参数进行优化设计。优化结果表明,优化后的关节运动范围明显增大,有效提高了该仿生关节的灵活性。     

气动肌肉驱动人工关节的建模研究

由气动肌肉驱动的人工关节具有重量轻、柔顺性好等特点。在关节建模中,首先需要解决气动肌肉实际特性和理论模型之间的差别,为此引入了力-压力系数和刚度系数,从而建立了实际特性和理论模型之间的联系。其次,在建模过程中为简化模型而忽略气体的流动过程及压缩性会使得理论模型的动态响应比实际模型要差。为此,考虑气动肌肉的充放气过程,建立了关节更准确的动态模型。最后,通过实验对模型进行了验证。     

气动抛绳器建模仿真与试验研究

简要介绍了气动控制击发型气动抛绳器的结构与工作原理,应用AMESim建模仿真软件对气动抛绳器系统进行了建模仿真,得到了气动抛绳器主要组件的动态响应特性。将弹体抛射初速度的仿真值与抛射试验测量值进行对比分析,结果基本一致,验证了模型的可靠性。研究结果为气动抛绳器的进一步优化设计提供了参考。