应用人工肌肉IPMC材料的三指微型柔性手爪设计

为满足现代小型驱动器的微型化、智能化、多功能及高集成度等要求,利用一种智能材料即离子聚合物金属复合物(ionic polymer-metal composite,简称IPMC)研制了一款三指微型柔性手爪。运用ANSYS有限元分析软件,通过等效压电双晶片的机电耦合模型对IPMC驱动元件进行有限元位移仿真,得到其在3V电压下最大变形及相应的位移分布图。根据仿真结果,设计IPMC手爪的夹持机构,制备了体积不大于13.5 cm3的IPMC微型手爪。试验测试结果表明,在3 V直流电驱动下,IPMC驱动薄膜(总长度为19 mm,自由端长度为14 mm)的末端最大变形为22 mm(负向位移与正向位移的总和),其最大变形速度约为4.44 mm/s,总重量为1.033g的手爪可以抓取1.973g的物体,其手爪的推重比约为2,而材料(IPMC的总重量为0.177g)的推重比甚至大于11.5。此IPMC柔性手爪的性能满足低耗能的设计要求,具有结构简单、柔顺、安静、体积小和推重比大等特点,在微小型驱动领域具有较好的应用前景。     

一种新型柔性气缸驱动手爪

提出一种新型柔性气缸驱动手爪,具有抓取柔顺性和较大的抓取力,可用于抓取易碎易损品.介绍柔性气缸驱动手爪的整体结构方案,给出柔性驱动气缸的静态结构性能分析及输出力试验结果.对手爪的抓取能力和实物抓取进行试验,手爪在70 kPa的工作压力下最大抓取力为122 N,比一般柔性手爪的35 N抓取力提高了约2.4倍,并且保持了抓...     

气动肌肉驱动手爪的设计与分析

安全柔顺地抓取物体是机器人手爪的一项重要指标,气动肌肉作为一种类似生物肌肉的柔性驱动器,可以有助于实现这一目标。讨论了基于生物运动机制的仿人两指手爪的结构和工作原理,建立了气动肌肉驱动手指夹持力的理论模型,指出气动肌肉的输入压力是决定手指抓取力与手指张角大小的唯一因素。实验证实了该手爪可有效地抓取多种易碎、柔软的物体。     

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。     

基于目标跟踪的IPMC测控系统设计

针对IPMC驱动和性能测试的需求,设计了一种IPMC测控系统。控制系统以STM32F103RET6为主控芯片,可输出双极性大电流的正弦波、方波和组合波形,并且输出信号的幅值、频率和占空比可调;位移检测系统基于Lab VIEW的MeanShift目标跟踪算法,可对IPMC末端进行目标跟踪,并实时显示其在两个方向上的位移。利用该测控系统进行IPMC性能测试实验,验证了其可行性。     

果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制

为了实现果蔬的无损采摘,采用欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构,基于欠驱动原理设计的机械手结构简单可靠,抓取物体时具有形状自适应能力,手指可完全包络物体,可以通过最大接触力的闭环力反馈控制来实现无损采摘。基于这一设计思想设计出仅靠一个电动机驱动三个手指的机械手爪,通过理论分析、手爪机构设计与建模、结构参数优化,确定设计尺寸制出机械手爪,设计控制电路结合力反馈控制进行抓取试验。试验结果表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能,并具有控制简单可靠、抓取稳定、不损伤果实等特点。     

欠驱动仿人机器人手爪的精确捏取与包络抓取研究

研制出一种基于欠驱动机构的仿人机器人手爪,分析了手爪可实现的2种抓取模式(精确捏取和包络抓取),应用力矩平衡分析了精确捏取模式下末关节对物体的作用力与输入转矩的关系,应用虚功原理分析了包络抓取模式下各关节对物体的作用力与输入转矩的关系,并比较了2种抓取模式的抓取质量.最后在COSMOSMotion仿真环境中模拟了2种模式对圆柱形物体的抓取,验证了对抓取质量的分析.     

一种欠驱动多指杆机器人手

提出的欠驱动多指杆机器人手能用直指或曲指方式履行各种工业操作任务。本文描述了三指多指杆手的工作原理,手指位移与力分析,这种手抓取物体的适应性,稳定性,抓力都优于常规手爪,提出的手指结构能减少控制复杂性,重量和成本,并能实现多功能地抓取不同物体的能力。     

IPMC电学性能的实验研究

采用商业Nafion溶液浇铸空白膜,通过建立的电流测试平台测试IPMC(ionic polymer-metal composites)空白膜的电压电流关系。输入信号是正弦电压,幅值取1 V,1.2 V,2 V,3V,得出频率为0.1 Hz的电压电流特性变化规律,确定出产生非线性的临界值;同时测试了频率取0.1 Hz,1 Hz,10 Hz,幅值为2 V的条件下电压电流特性变化规律。实验结果为IPMC材料的应用提供了电学控制基础。     

机器人手爪的柔顺指端

模仿人的皮肤与肌肉组织,本文提出了一种具有电流变流体的机器人手指柔顺指端的结构,在机器人的双指手爪中,指端是类似于皮肤的弹性薄膜和在皮肤下填充电流变流体的聚氨酯泡沫层组成,在未施加电场时,指端极为柔软,当电流变流体受电场作用时,指端成类固体状,试验结果表明,柔顺指端对物体的抓握过程是从柔性抓所至到物体被锁固在两指间的硬性抓握,因而在同样抓握力下,提高了机器人手爪举升物体的能力。     

IPMC gripper static analysis based on finite element analysis

Recently, a type of flexible grippers with low power supply (0–5 V) has been designed and developed for grasping small but precision parts. In previous work, the authors manufactured a soft gripper whose actuating components are made of ionic polymer-metal composite (IPMC) materials; however, there is not a comprehensive model to analyze the complete mechanics for this IPMC gripper. Therefore, this paper provides a finite element method for analyzing its static mechanics characteristics in the state with maximal stress and strain (i.e., the gripper opening largest, including the IPMC deformation, stress, and strain). Further, these electromechanical coupling relationships can be simulated by using the piezoelectric analysis module based on ANSYS software. The simulation results show that the maximal tip displacement of IPMC strips can nearly reach their own free length, the maximal stress is 54 MPa in the center of copper electrodes, and the maximal strain is 0.0286 on the IPMC strip. The results provide detailed numerical solutions and appropriate finite element analysis methodologies beneficial for further research on the optimization design, forecast analysis, and control field.     

IPMC gripper static analysis based on finite element analysis

Recently, a type of flexible grippers with low power supply (0–5 V) has been designed and developed for grasping small but precision parts. In previous work, the authors manufactured a soft gripper whose actuating components are made of ionic polymer-metal composite (IPMC) materials; however, there is not a comprehensive model to analyze the complete mechanics for this IPMC gripper. Therefore, this paper provides a finite element method for analyzing its static mechanics characteristics in the state with maximal stress and strain (i.e., the gripper opening largest, including the IPMC deformation, stress, and strain). Further, these electromechanical coupling relationships can be simulated by using the piezoelectric analysis module based on ANSYS software. The simulation results show that the maximal tip displacement of IPMC strips can nearly reach their own free length, the maximal stress is 54 MPa in the center of copper electrodes, and the maximal strain is 0.0286 on the IPMC strip. The results provide detailed numerical solutions and appropriate finite element analysis methodologies beneficial for further research on the optimization design, forecast analysis, and control field.     

非共振型压电电机驱动的大行程精密定位旋转平台的建模和实验

针对目前光波导封装使用的精密定位平台行程小,结构与控制系统复杂的问题,提出了非共振型压电电机驱动的大行程精密旋转定位平台。该平台通过压电电机的连续作动和步进作动两种工作模式来满足大行程和高精度要求。首先对该精密旋转定位平台进行动力学建模,确定了系统运动方程。然后,分析其作动机理,研究影响旋转平台转速的不同因素。最后,实验研究该精密旋转定位平台的速度、步距、分辨率与负载特性,确定平台连续作动与步进作动的驱动方式。实验结果表明,在直流偏置为60V,峰峰电压为120V,频率为180 Hz的正弦波电压激励下,该精密旋转定位平台最大转速可达47 963.2μrad/s,分辨率和最大负载分别为3μrad和60g。与现有的大行程精密定位旋转平台相比,设计的平台具有行程大,精度高,结构简单,稳定可控,且装配调试方便,易于批量化生产等优势。     

一种通用型气动软体夹持器的设计与分析

由柔性材料制成的末端软体夹持器依靠结构本身的弹性变形实现对物体的无损抓持,具有自由度高、适应性强的特性,在非结构化环境中具有广阔的应用前景。目前,多数软体夹持器功能单一,适应性差,难以实现对各种形状、尺寸物体的通用抓取。为解决这一问题,通过分析形状尺寸各异物体对软体夹持器结构及性能的要求,结合现有夹持器的优点,设计出一种中间部位能抓取体积较大目标、尖端部位可精确夹持细微物体的通用型气动软体夹持器。基于Yeoh模型建立夹持器变形角度与压力关系数学模型,使用ABAQUS软件对其进行正压和负压仿真,分析出夹持器的弯曲变形情况,得到其极限气压。通过实物的变形实验,得到仿真结果和实验结果相对误差为9.10%,验证了仿真的有效性和变形角度与压力关系数学模型的准确性。     

Preparation and performance of soft actuator based on IPMC with silver electrodes

The surface electrodes of traditional ionic polymer-metal composites (IPMC) are made of platinum. To reduce the production cost, nonprecious metals such as silver is proposed. A new approach of electroless silver plating based on chemical deposition method is adopted, getting two types of IPMCs, Pt-Ag IPMC, and Ag-Ag IPMC. The microscopic analysis, driving abilities tests, and their surface-electrode resistance analysis show that Ag and Pt particles penetrate inside Nafion membrane with gradient distribution throughout the membrane. The maximum electro-active bending deformation angles of the specimens, which are obtained under the same specimen dimension and constrains, are about 60° for Pt-Pt IPMC and Pt-Ag IPMC and 90° for the Ag-Ag IPMC, respectively, corresponding to the driving voltage of 3 V, 4 V, and 1.5 V. The surface-electrode resistance of Ag-Ag IPMC is the lowest and the most stable, which shows that the proposed approach is valid. The experiments show that the IPMC technology based on the silver electrode is feasible.     

新型集成三维微力检测微夹持器

提出了一种以压阻检测技术为基础,压电陶瓷为微驱动元件,具有两级位移放大且集成三维微力传感器的微夹持器。采用有限元软件对微操持器放大机构和传感器弹性体进行分析,并给出了传感器的标定方法。实验证明,该传感器具有无耦合、测量分辨率高、线性度好、标定简单的优点,满足了预计的设计要求,传感器最大量程为10 mN,X向与Y向的分辨率均为2.4 μN,Z向的分辨率为4.2 μN;同时也验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性,当压电陶瓷驱动电压取200 V时,微夹持器的张合量达到最大值274 μm。     

A precision robot system with modular actuators and MEMS micro gripper for micro system assembly

A robotic system which consists of a precision manipulator and a micro gripper for a micro system assembly is presented. The developed P-R-R type 3 DOF robot is actuated by newly proposed modular revolute and prismatic actuators. As an end-effector of this manipulator, a micro gripper is designed and fabricated with MEMS technology, and the displacement of the jaw is up to 142.8 μm. A real gripping test is conducted to evaluate the robotic system.     

基于柔性铰链的二级放大微夹持器的研究

微夹持器是微装配系统的关键部件,设计了一种以柔性铰链为基础的二级位移放大机构的夹持器,该夹持器由压电陶瓷驱动。计算了夹持器的放大倍数和柔性铰链的节点应力,并对夹持器的最大张合量、放大倍数、夹持力和刚度进行有限元仿真分析。分析结果表明:夹持器的结构设计满足实际应用要求,对实现微小零件的自动装配有实际意义。     

三种柔性蒙皮支撑结构的力学特性

理论推导了U型、V型和梯形3种柔性蒙皮支撑结构面内横向无量纲化弹性模量与其平面几何参数(壁厚系数t、高度系数h、形状系数k)之间的关系:其等效弹性模量随t增大而增大,随h增大而减小,随k增大而减小。采用ANSYS软件进行了有限元模拟并通过实验对其面内力学特性进行验证。同样参数条件下,3种结构面内横向刚度从大到小依次为V型、U型和梯形。说明梯形结构具有更强的变形能力,产生同样的变形需要的能量最小。对3种结构的面法向刚度进行了有限元仿真和实验比较,其面法向刚度随几何参数的变化规律与面内等效弹性模量相似;在相同等效面法向气动载荷作用下,3种结构面法向位移大小依次为梯形、U型和V型。对3种结构拉伸前后不同载荷作用下的面法向最大位移进行实验测量,发现面法向刚度在拉伸后都有较大提升,在产生相同的面法向位移情况下,承受的压强平均提高了30%~60%。