柔性可穿戴腕部动力手套的设计与分析

动力手套是一种腕部康复训练装置,同时具有辅助的助力功能。康复训练是手腕进行自主康复的一种重要的辅助治疗手段,传统的康复训练装置大多采用电机驱动的刚性外骨骼结构,在运动时急剧变化的冲击力易造成关节二次伤害,同时较大的质量增加了身体的额外负担。基于气动人工肌肉设计并制作了一款柔性可穿戴动力手套装置,能够实现腕关节屈/伸、内收/外展两自由度运动,集康复训练与腕部助力于一体,轻量化柔顺的外骨骼结构提高了其便携性及舒适性。通过嵌入薄膜压力传感器能够感知手掌与物体之间的抓取力,自动实现腕关节助力功能并有效地保护腕部。对腕部进行穿戴静力分析求解手套装置的性能需求参数,并测试气动肌腱的关键指标及手套的整体性能,测试结果表明所设计的动力手套能够满足腕部康复训练要求并具有辅助的助力功能。     

软体机械手遥操作系统的设计与分析

面向气动软体机械手在远程非结构化环境下作业的工作需求,搭建了软体机械手遥操作系统。基于“快速气动网络”及模块化可拆卸原则,设计制作了软体弯曲致动器,根据实验需要组装成仿人手形软体机械手。在Yeoh模型基础上建立了软体致动器的力学模型并借助仿真分析加以修正,为软体致动器的控制提供了理论依据。设计了遥操作系统的总体结构,提出了气动软体机械手的驱动模式与控制策略,在C#窗体应用程序中开发了客户端软件。基于蒙皮技术在3D Max软件中对软体致动器进行建模,在Unity3D中搭建了虚拟作业场景,通过脚本程序设计实现远地端反馈信息对软体末端的运动控制和对目标对象的碰撞与拾取。开展软体致动器弯曲角度与充气气压实验,验证分析力学模型的准确性;开展遥操作手势映射实验,分析与探讨软体机械手遥操作系统的可行性及其进一步研究与应用。     

轮足式仿生软体机器人设计与运动分析

基于自然界中弯曲蠕虫的运动原理,借鉴其结构特点,设计一种双腔结构的轮足式仿生蠕动软体机器人,利用硅橡胶材料的超弹性特征,通过在多气囊结构中充气挤压变形使软体机器人本体结构发生弯曲,周期性的充放气实现软体机器人的蠕动运动。引入轮足式设计,将软体机器人软体基体的蠕动运动转变为车轮的旋转运动,加快蠕动型机器人的运动速度,通过向软体基体双腔充入不同气压,实现大角度转弯。分析了蠕动机器人周期性的直线运动和转向运动过程,研究了机器人运动过程中的非线性力学特性,测试了软体基体双腔充气状态下变形量与气压的关系以及单腔状态下转弯角度与气压的关系,分析了软体机器人的最快行进速度和最小转弯半径,确定了软体机器人的运动性能。     

可嵌入式多维柔性力/位传感器

针对目前柔性多维传感器集成性差、灵敏度低等缺点,提出了一种基于液态合金微通道的三维柔性力/位传感器。首先,提出了双层对称液态合金微通道结构,建立了输入输出数学模型,确定了传感器最优结构尺寸;其次,提出一种经济高效的微孔抽丝成型工艺来对传感器本体和内部微通道进行一体化成型,并通过该工艺制作了传感器实验样机;最后,通过标定实验和应用实验验证了该多维柔性传感器对三维位移和拉力测量的可行性、准确性和稳定性。实验表明,在线性范围内,该传感器作为位移传感器测量绕X、Z轴弯曲变形灵敏度分别为85.7、70.5 mV/rad,测量拉伸位移的灵敏度为441 mV/mm;作为力传感器测量沿Y轴拉力的灵敏度为175.8 mV/N。该传感器可灵活嵌入到软体机器人内部或附着在待测物体表面进行力位混合测量,以实现对软体机器人的自感知反馈控制,提高软体机器人系统的集成度。