SMA丝驱动的手指康复机器人设计及实验研究

为了研制一种轻便、可穿戴的仿生手指康复机器人,在分析手指肌肉骨骼生物参数及致动机理的基础上,设计了一种形状记忆合金丝(Shape Memory Alloy, SMA)驱动的软体柔性手指康复机器人,建立了其运动学和力学模型。以手套为结构设计的原型,通过控制SMA丝的收缩来模拟手指肌肉肌腱的收缩,从而实现辅助手指屈曲伸展运动的功能。试验研究了手指康复机器人的运动性能和抓握性能。试验结果表明,手指柔性康复机器人最大弯曲角度接近正常人手关节角度,最大指尖力可达18N,能完成日常所需的屈曲伸展以及抓握功能。     

一种基于SMA的摆动式驱动器驱动原理及实验

在分析了形状记忆合金(SMA)弹簧电热驱动原理的基础上,对一种差动式关节型SMA驱动器进行了实验研究。实验结果表明:驱动电流和冷却条件对驱动器的摆动周期有很大的影响,增大电流会显著提高SMA驱动器的动作频率,但电流过大,易使SMA失去形状记忆功能,所以,电流应控制在一定的范围之内。驱动器的动作频率还受到冷却速度的制约,加快冷却速度也会提高驱动器的动作频率。     

波纹管联轴器的有限元仿真分析

为了考核波纹管联轴器在热-力共同作用下的强度和在发射频率下的刚度,首先利用在三维建模软件UG中建立了波纹管联轴器的有限元模型,然后结合有限元软件的Nastran求解器,对波纹管联轴器进行了热-应力耦合分析和工况模态有限元分析,最后通过对有限元仿真结果进行分析,得到了其力学特性。     

FCM燃料热-力耦合行为仿真建模和计算方法

为评估全陶瓷微封装（fully ceramic micro encapsulated, FCM）核燃料的性能,研究由三层各向同性碳包覆（tri structural isotropic, TRISO）燃料颗粒弥散于碳化硅（SiC）基体形成的柱状芯块的填充算法,开发相应的微观结构生成程序,利用并行有限元法对FCM核燃料的热 力耦合行为进行初步分析。结果表明,基于等球Packing的TRISO燃料颗粒填充算法可以快速生成高体积比的FCM燃料结构,基于共轭梯度迭代的隐式有限元法在求解大规模热 力学耦合问题时具有较高的效率和稳健性。本文方法可用于该核燃料每个颗粒和基体内部温度与应力分布的详细计算。     

形状记忆合金驱动元件动作响应速度的分析

利用形状记忆合金作为驱动元件，其动作响应速度受冷却方式的影响。本文就几种不同冷却方式所测得的结果进行分析比较，提出了不同工作情况应采用的冷却方式。     

某型装甲车制动器热-应力-磨损耦合仿真分析

为提高鼓式制动器在热-应力耦合影响下磨损计算的准确性,考虑实际制动过程中温度升高对制动器性能的影响,通过增加温度与磨损率的变化关系修正传统Archard磨损模型,对某型装甲车鼓式制动器进行仿真计算.分析结果表明,在热-应力有限元迭代求解过程中,采用完全耦合法持续更新制动器磨损面的几何形状可以不断地修正热-应力的计算结果,因此能更真实地描述制动过程中热-应力-磨损的复杂耦合现象.仿真得到制动器在4种典型工况下的磨损规律,为制动器的优化设计提供依据.     

SMA驱动的微型平面关节机器人的研究

近年来，利用形状记忆合金（ＳＭＡ）的形状记忆效应原理制作的驱动器已在机器人领域中得到应用，ＳＭＡ驱动器以其重量轻、结构紧凑、易控制等优点，大大推动了微型机器人的发展．本课题使用所研制的推挽式直线位移型和旋转关节型ＳＭＡ驱动器代替传统的伺服驱动系统，研制了一台三自由度（两个旋转自由度和一个直线自由度）且带末端夹持器的微型平面关节机器人．本文将介绍该机器人的结构设计，控制系统及其软件设计．     

空间直线驱动机构伺服系统建模与仿真

针对高精度、宽频响、大负载空间直线驱动机构的伺服系统建模研究,分析了伺服系统的组成,设计了电流调节器,速度调节器和位置调节器的结构和参数.为提高空间直线驱动机构伺服系统建模的准确性,联合Simulink建立的控制系统数学模型与Simscape建立的空间直线驱动机构的物理模型,对伺服系统的动态响应能力进行仿真和分析.仿真结果表明,基于Simscape的物理模型更加接近实际系统,空间直线驱动机构的随动能力良好,验证了控制方案的正确性和可行性,满足了设计输入要求.     

一类“浮力-压块”驱动飞艇建模与分析

针对一类新型"浮力-压块"驱动的自治飞艇,研究了该类飞艇的动力学建模和动力学特性。在Kirchhoff方程和Newton-Euler理论基础上,通过对飞艇运动及受力分析,建立了包括独立气囊和可运动压块的飞艇六自由度非线性动力学模型,并采用小扰动线性化方法,将飞艇运动分别限制在纵向、横侧向和e₂-e₃平面内,得到与之对应的三组飞艇线性化方程,其后基于飞艇相关参数和线性化模型,利用Matlab软件平台对飞艇运动模态和输入响应特性进行了分析研究。仿真结果验证了该类飞艇模型的正确性和理论分析的合理性,为其后控制策略设计提供理论依据。     

封装内气体对电热驱动MEMS性能影响的有限元分析

研究了封装内的气体对电热驱动型MEMS的性能的影响.采用有限元分析方法,得出了封装内充入不同组分的氮气和氦气混合气体时MEMS的温度场和驱动位移.分析结果表明,随着封装内混合气体中氦气含量的增加,混合气体的导热系数增加,MEMS机械臂上的温差减小,驱动位移减小.为了提高MEMS性能和保持产品的批量一致性,封装内作为检漏用的氦气的含量在检漏工艺允许范围内越少越好,并且保持含量稳定不变.     

基于SMA的关节驱动器的力学分析及控制

分析了一种用于水下微小型仿生机器人的形状记忆合金(SMA)关节驱动器的力学特性,并通过模糊控制的方法对其进行了实验研究。结果表明:对于物理特性呈非线性、温度滞后、时变和受温度影响很大的SMA驱动器来说,采用模糊控制的方法,能够使驱动器稳定、平滑的工作,尽管产生了轻微的超调现象,但收到了令人较为满意的效果。因此,将模糊控制方法应用于SMA驱动器的控制有一定的理论意义和应用价值。     

仿生“蚯蚓”机器人的SMA 执行器实现

虽然从生物学角度来说,蚯蚓的波浪式运动机制已经相当清楚,但在小尺寸下人工蚯蚓的实现仍然是极具挑战性的工作.采用记忆合金材料(SMA),设计实现了用于仿生蚯蚓机器人的执行器,并通过该执行器的动作循环模仿,实现了蚯蚓的波浪式运动.实现的人工蚯蚓共有四单元,每一单元都有可独立驱动的执行器.执行器由一根或三根SMA弹簧构成,其波动式运动的最高频率为0.6 Hz.每一单元人工蚯蚓,都被覆特定形状的软硅胶皮,该硅胶皮提供了SMA执行器的对抗力,同时也是安装微型腿的平台,从而进一步提高了人工蚯蚓的运动效率.初步的测试显示该执行器工作有效,人工蚯蚓的运动速度可达2.5mm/s,与真实的蚯蚓运动速度相近.     

基于电阻反馈的 SMA 控制系统设计

形状记忆合金（SMA）驱动器在生物医疗中得到了广泛应用。目前,SMA 驱动器的控制器多采用外部传感反馈方式,体积大,应用受到限制。提出一种基于 SMA 内部电阻反馈的嵌入式控制电路。使用 ATMEGA16单片机搭建了 SMA 驱动器加热控制电路及恒流源电桥方法的电阻测量采集电路。实验表明：该控制系统可以产生可控 PWM,恒流源电桥方法测 SMA 电阻可以得到足够的测量精度,系统可用于 SMA 驱动器的控制。     

一种微小型蠕动机器人的步态分析

介绍了一种形状记忆合金(SMA)驱动的微型蠕动机器人的结构和工作原理,并对蠕动机器人的直线运动原理和转弯运动原理分别进行了详细的分析和论述。此外,还通过详细的实验对蠕动机器人步距与SMA驱动器电流的关系、蠕动机器人转弯角度与SMA驱动器电流的关系,以及蠕动机器人响应速度与SMA驱动器电流的关系进行了分析,并确定了SMA驱动器的加热电流。     

螺线型气动软体致动器设计与建模

为了探索海马尾巴的解旋能力,基于生物结构的启发提出了一种基于螺线构型的气动软体致动器.区别于已有的软体致动器的弯曲运动,螺线型气动软体致动器(螺线型致动器)随着输入气压的增大可以实现正负曲率两个方向的展开运动.首先,在保持基体外侧弧长相同的情况下,依据圆形、阿基米德螺线、对数螺线3种不同螺线的数学表达式对螺线型致动器进行了3种结构设计;其次,基于超弹性材料模型、几何关系和虚功原理建立并修正了通用的静力学模型,描述输入气压与展开角度的关系;然后,对3种结构的螺线型致动器进行样机制作,并测试了它们的运动性能;最后,对比静力学模型计算结果和样机实验数据,最大平均展开角度误差为10.0166°,证明了模型的准确性.另外,根据从形状刻度线采集的坐标数据转换得到的构型空间参数,重建了螺线型致动器在不同展开状态下的理论展开形状,验证了构型空间参数获取方法的可行性.     

Modeling of pneumatic muscle with shape memory alloy and braided sleeve

Pneumatic muscle (PM) of flexible actuators used in bionic robot is an active area of recent research. A novel PM with shape memory alloy (SMA) braided sleeve is proposed in this paper, and SMA is used to improve PM working characteristics. Based on the principle of virtual work, output force model of PM and relationship with braided wire inner-stress are established, and analysis of PM deformation has shown that braided wire length is the key factor of output force characteristic. Based on the crystal structure transitions, the relationship of temperature with wire shrinkage is derived. Then, the synthetic dynamics of novel PM is established. A physical prototype of PM with SMA braided sleeve is developed, and test platform that is built for the experiment. Experiment and simulation test of static isometric-length, static isobaric-pressure, and dynamic characteristics are done. The experimental results are compared with the simulation of theoretical model. Moreover, based on experiment, model of output force was improved by adding a correction factor to deal with the elastic force of rubber tube. The results analysis demonstrates that the established models are correct, and SMA wires can reinforce PM and make PM working characteristics adjustable. PM proposed in this paper has greater output force and is beneficial to achieve more accurate control that is useful for manipulating fragile things.     

一种新型MSMA差动式驱动器的研究

设计了一种实验装置,对磁控形状记忆合金MSMA（Magnetically controlled Shape Memory Alloy）材料的外特性进行了系统的研究,得出了磁场、温度、压力与形变之间的关系.在此基础之上,设计了一种新型差动式磁控形状记忆合金执行器,阐述了其工作原理,给出了样机和实验结果.     

一种空间仿生柔性机器人设计与智能规划仿真方法

针对传统空间刚体机器人存在的自由度有限和环境适应性差等缺陷,基于生物体结构提出了一种受“尺蠖”与“蛇”启发的适用于空间在轨服务的柔性机器人。首先,搭建了柔性机器人原型样机,研究了镍钛形状记忆合金（SMA）驱动器的驱动特性,设计了可视化控制界面并通过实物实验验证了机器人原型样机的可操控性。然后,设计了一种基于所提柔性机器人结构的Q学习算法和相应的奖励函数,搭建了柔性机器人仿真模型并在仿真环境中完成了基于Q学习的机器臂自主学习规划仿真实验。实验结果显示机器臂能够在较短时间内收敛到稳定状态并自主完成规划任务,表明所提出算法具有有效性和可行性,强化学习方法在柔性机器人的智能规划与控制中具有良好的应用前景。