基于三组测量绳结构的软体机械臂运动检测

针对气动软体机械臂运动形状检测问题,设计了一种基于拉线编码器的三组测量绳结构的运动学参数检测装置。依据分段常曲率法,构建了气动模块化软体机械臂的运动检测模型,基于机械臂柔性材料的特点,在建模过程中引入刚度法,使检测模型能准确反映从机械臂驱动气压到形状变化以及运动学参数的映射关系。提出了一种可模块化组装的气动软体机械臂,用于验证检测装置与模型的精度,所提出的机械臂在构型上由硅胶基体、运动气囊和连接板组成,能实现机械臂的模块化组装。通过对所构建的运动检测模型进行推导与仿真,得到了模型的相对误差。最后,通过试验验证了运动检测建模的精度和机械臂驱动、构型以及运动的特征。研究结果表明：相比于传统的视觉追踪方法,所设计的基于三组测量绳结构的检测装置能实现对软体机械臂运动形状的高精度检测。     

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。     

基于低熔点合金相变的变刚度软体机械臂稳态传热研究

建立了基于低熔点合金相变的变刚度软体机械臂稳态传热模型，通过理论方法计算了机械臂稳态传热过程中各子模块的温度、传热功率和螺旋盘管中水的对流换热情况，并利用COMSOL Multiphysics仿真软件直观表达其稳态传热过程。仿真结果与理论计算结果差异在4.5%以内。理论分析和仿真结果可用于指导软体机械臂变刚度模块的设计。     

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。     

多功能软体机械手的设计与建模

设计了一款新颖的多功能软体机械手,其由两个软体手指和一个软体手腕集成一体。软体手指由四个并联的双向弯曲气动软体驱动器组成;软体手腕主要由一个双轴双向弯曲气动软体驱动器构成,软体手指、软体手腕协同动作,可以实现软体机械手的多方位、多任务操作。根据软体机械手所需运动范围和抓取力确定了软体机械手的尺寸参数。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了上述两个双向弯曲软体驱动器的欧拉梁弯曲模型和悬臂梁弯曲模型,获得了双向弯曲软体驱动器弯曲曲率、弯曲力矩和充气气压三者之间的解析表达式,以及双向弯曲软体驱动器受到载荷时的弯曲变形曲线,通过双向弯曲软体驱动器的自由弯曲试验和弯曲变形试验验证了上述模型的正确性。通过软体机械手的闭合抓取试验和张开提起试验说明了软体机械手的实用性。     

一种新型气动肌肉执行器的结构设计与控制研究

传统的气动肌肉执行器存在结构单一、功能低下的问题,为此,基于蛇在蜿蜒运动时的灵感,提出了一种具有向两个相反方向弯曲能力的双弯曲型气动肌肉执行器(DB-PMA)。首先,以传统的收缩式气动肌肉执行器(CPMA)为切入点,描述了DB-PMA的机械结构,包括DB-PMA仿生学设计基础以及DB-PMA的基本机械结构;然后,在“放松”、“加压”、“特殊”3种不同状态下,展开了对DB-PMA的相关运动学分析;并基于DB-PMA进行了实验,对实验结果进行了分析,将其与传统CPMA进行了性能方面的对比;最后,基于该执行器设计了一款软体机械臂,对该机械臂的性能进行了展示,并使用两种方法对其进行了优化改进,并对改进后的机械臂做了分析。研究结果表明：通过第一种改进方法可以使机械臂的最大弯曲角度增加到213°,通过第二种改进方法可以明显地使机械臂的控制更精准;相较于最初的机械臂,两种改进方法均能使机械臂的性能得到了明显的优化与改善。     

软体机械臂仿生机理、驱动及建模控制研究发展综述

软体机械臂由柔性材料制作,具有高柔顺性、复杂环境适应性及安全人机交互性等特点,研究涉及材料学、仿生、机械设计和制造、传感器技术等多学科交叉融合,其发展为柔性材料应用、仿生机器人研究等提供参考和技术支持,在工业生产、医疗手术、救灾探测、生活护理等方面具有广阔应用前景,受到国内外学者及机构的广泛关注和研究。文章从仿生原理、驱动方式、变刚度方式、建模及控制等方面对软体机械臂研究进行综述,介绍章鱼臂及象鼻等生物结构仿生机理;按驱动类型将软体机械臂分为流体驱动、线驱动、气动人工肌肉、形状记忆合金、电活性聚合物、混合驱动等;介绍拮抗机构、阻塞、材料相变三种变刚度方式;以及目前常用于软体机械臂上的建模方法及控制策略。从中归纳和分析,得到软体机械臂的关键问题包括可重复性、精度、低输出力和建模控制等,其关键技术及未来发展方向包括新柔性材料制备和成型技术、刚柔结合/可变刚度机器人、柔性传感器技术等。     

可控三维运动的软体驱动器仿真与试验

介绍一种多自由度,可以在空间内任意运动的三维软材料仿生驱动器。利用有限元分析软件对三维软体驱动器进行了设计优化,针对驱动器制作材料以及气腔截面形状、腔道壁厚进行了有限元仿真分析。通过软体驱动器结构仿真分析,结果表明半圆形腔道软体驱动器能提供更高的变形气压和刚度,而环形腔道则能给软体驱动器带来较低的变形气压和柔性。三维软体驱动器使用较高硬度材料、半圆形腔道能够在给定气压下获得更大的刚性及输出力;低硬度材料、较小壁厚的环形腔道能够在给定气压下获取更好的柔性和灵活性。根据仿真优化结论,制造出在低气压下灵活运动并具有一定载荷能力的软体驱动器模块。为测试软体驱动器模块的性能,设计一系列运动学以及力学试验,包括软体驱动器在气压下的弯曲试验、气压与软体驱动器输出力与刚度的测量试验。最后,通过试验展示了软体臂三维运动以及抓持不同物体的性能。     

仿鸟喙微型气动软体机械手爪的设计及优化

为实现微型易碎、不规则物体的稳定抓取,结合软体材料的柔顺性和鸟喙结构抓取的准确性,提出一种仿鸟喙微型气动软体机械手爪,该机械手爪不仅具有一般软体手爪良好的环境适应性,而且结构更加简洁,对微型物体尤其适用。利用Yeoh本构模型和Ansys软件,对手爪的弯曲特性做了有限元仿真,并根据仿真结果进行变壁厚和局部填充的优化。对优化后的手爪进行了弯曲特性、抓取力测试试验和适应性试验,验证了仿鸟喙微型气动软体机械手爪的可行性。     

网格结构对Pneu-Net软体驱动器的弯曲性能影响规律研究

为揭示气动网格气囊结构对驱动器弯曲性能的影响,以单气囊和双气囊模型为对象,开展了非线性有限元分析研究。研究发现矩形气囊较纵向圆柱、三角形和横向圆柱气囊具有更好的弯曲性能。在矩形气囊中,减小壁厚、增大气囊高度可以提升弯曲效果,增加气囊长度虽也可提升弯曲角度,但会降低单位长度的弯角。通过双气囊模型分析,发现气囊的变形存在耦合关系,导致每个气囊实际的弯曲效果均小于单独作用时,同时由于大位移引起的非线性,使得气囊引起实际弯曲变形还与所处位置有关系,因此在软体机器人建模中常用的常曲率模型可能存在局限性。     

气动网格软体驱动器弯曲变形预测方法

气动软体驱动器作为软体机器人的关键构成单元,在气压作用下可以实现弯曲运动,但目前缺乏合适的方法来研究驱动器的弯曲变形。针对该问题,在分析气动网格软体驱动器弯曲变形原理的基础上,建立了驱动器单个气囊弯曲角度的数学模型并对其弯曲特性进行了分析,进一步建立了单腔室驱动器和多腔室驱动器的弯曲变形预测模型,通过有限元仿真和实物实验验证了弯曲变形预测模型的有效性。     

柔性软体机械手的设计及变形研究

针对目前柔性软体机械手国内外研究现状,总结了其关键技术难题与不足。以柔性软体机械手为研究对象,设计并验证了柔性软体机械手的弯曲变形特性及压力响应特性。首先设计了柔性软体机械手结构,由单向弯曲驱动器、滑移平板以及连接装置组成,建立了柔性软体机械手指理论数学模型;其次利用有限元分析软件ABAQUS基于Yeoh模型建立了柔性软体机械手指硅胶材料的本构模型;同时,利用3D打印技术制备带有腔体的单向弯曲驱动器的浇注模具,注入混合好的液态硅胶,获得硅胶材料的柔性软体机械手指;最后开展了单向弯曲驱动器弯曲变形仿真及实验,验证了柔性软体机械手指的弯曲变形特性及压力响应特性,并验证了理论数学模型的准确性。     

软体气动驱动器弯曲变形光纤传感与形状重构

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题,提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置,实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征,得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系,计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值,重构出软体气动驱动器的变形形状,验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明:将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层,利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感,3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1%。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。     

硬度耦合刚度增强型软体夹持器设计研究

软体夹持器具有良好的顺应性、无损伤和安全的人机交互性能等优点,但由于其材料的特性限制,往往存在刚度不足和夹持力小等问题。文中基于传统的快速气动网络结构,提出了一种硬度耦合结构的刚度增强型软体夹持器的结构方案。首先,结合硅橡胶材料的Yeoh本构模型和静力平衡及虚功原理,建立了刚度增强型软体夹持器的运动学和力学模型,描述了夹持器手指弯曲角度和末端接触力与压强之间的关系;其次,运用ABAQUS软件对不同硬度结构的夹持器进行了有限元分析,制作了夹持器实体,搭建实验台测定了夹持器手指实际变形和末端接触力数据,并通过实际抓取对比试验验证了实际抓取效果。结果表明：相较于传统结构,硬度耦合结构在同为20 kPa的驱动气压下,弯曲角度最大可减小120°;极限压力下,末端接触力最大增加0.1 N;最优设计为05HA结构,抓取物的质量是传统型的3.42倍。     

一种打磨机械臂的静刚度建模与实验

设计出一种采用(U+UPS)P+UPS并联机构的打磨3-DOF机械臂。运用子结构拆分和叠加思想,将机械臂手腕的位姿变形因素拆分为只考虑各支链拉/压变形、只考虑UP支链扭转变形、只考虑UP支链弯曲变形3个主要影响因素。通过基于矢量回路的虚功原理和结构矩阵建立3个主要影响因素的刚度模型,并根据各支链的结构特点定义了支链内各部件变形系数。通过叠加原理将各影响因素的刚度模型叠加整合为机械臂的整体刚度模型。研制出机械臂的实验样机本体,采用一套高精度机器人刚度实验系统对机械臂实验样机进行了刚度标定。实验结果表明：机械臂实验样机的位置变形实测值与理论值之间偏差均小于3μm,姿态变形实测值与理论值之间偏差均小于0.05°,机械臂实验样机的变形均在合理范围之内。     

基于纤维包覆式气动结构的柔性手术臂刚度调节性能研究

针对未来微创手术操作臂的发展需求,提出了一种利用负压原理来增强离散结构间相互作用以实现柔性手术操作臂刚度调节的方法。据此设计制作了可包覆于管状柔性手术臂外表面的气动型多层纤维束编织结构,可通过抽真空使被密封的纤维束夹层内产生负压,增大轴向交错叠加的纤维丝之间的挤压力与摩擦力,从而起到刚度增强的作用。研究了大变形手术臂抗弯刚度的半解析计算方法。开展了该变刚度柔性手术臂结构性能的试验研究,探索了真空度、纤维丝结构参数(丝径和纤维丝表面粗糙度)、封装膜厚度及纤维层截面等因素对手术臂刚度的影响规律,为柔性手术臂的变刚度设计、优化提供了依据。     

一种仿章鱼腕足柔性模块的设计与运动控制

针对软体机器人由于刚度太低且是连续变形,故很难进行运动控制的问题,提出一种由形状记忆合金弹簧驱动的柔性机械臂。机械臂由３Ｄ打印制造而成,内部嵌入３个线性霍尔传感器,用于测量柔性臂弯曲运动。通过压缩补偿计算可以精确控制弯曲运动。实验结果表明,该柔性机械臂可以以较高精度进行三维运动。     

气动肌纤维驱动仿生机体类生物变刚度特性分析

四足机器人的仿生机体,大多采用刚性或单自由度机体结构,限制了四足机器人的机动性和灵活性。基于四足生物躯体解剖结构及动态弯曲运动机理分析,设计一种气动肌纤维驱动的刚柔耦合仿生机体,可实现变刚度侧向弯曲。根据仿生机体的结构,分析仿生椎间盘、仿生韧带、仿生肌肉等主要组成要素的刚度,提出一种仿生机体的串并联式刚度模型,建立仿生机体的刚度与气动肌纤维输入气压间的关系,探究在不同驱动方式下仿生机体的局部、整体变刚度特性。设计仿生机体的变刚度测试实验平台,分别开展仿生机体的局部、整体动态弯曲试验,分析其主动变刚度特性。实验结果表明,通过改变气动肌纤维的布置及充气压力,能实现仿生机体的动态弯曲,具有类生物的局部或整体变刚度特性。创新研究的仿生机体及驱动方式,为提高四足机器人的机动性提供借鉴。     

气动软体机器人执行器的控制与研究

目前传统刚性设备容易对人体造成伤害,故提出一种从仿生学的角度设计了的气压驱动软体机器人执行器,通过控制执行器空腔内的压强的大小和时间实现该模块执行器的弯曲变形,并探究软体执行器的优点。采用Ogden模型研究执行器的弯曲变形能力,并对执行器的模型就行优化处理。最终通过气动控制实验平台证明该执行器可以实现多角度弯曲。     

考虑柔性关节的机械转动臂优化设计

本文以柔性机械转动臂为研究对象,在优化总体目标下建立了机械转动臂结构的数学模型,考虑了柔性机械转动臂动态特性和控制策略的函数。建立了以臂厚为变量,以臂结构尺寸为约束的臂弯曲模型和末端垂直静弯曲模型。通过对高速、低速工况下机械转臂的结果进行对比分析,优化后的机械转臂的重量比增大,刚度和强度提高,整体动力性能明显改善。