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。     

基于介电弹性体驱动的仿生象鼻软体驱动器设计分析

在软体机器人的发展过程中,软体驱动器结构简单化、轻量化设计一直是研究热点。受到象鼻结构与驱动原理的启发,设计了一种基于介电弹性体和多孔PDMS材料的仿生软体驱动器。首先对介电弹性体人工肌肉驱动机理进行了分析,并通过驱动变形实验确定了最大形变参数;然后设计了基于多孔PDMS材料的支撑脊柱结构,并通过压缩实验测试了力学性能;最后,通过将介电弹性体包覆在支撑脊柱外层,形成了具有圆柱结构的仿生软体驱动器。驱动实验结果表明,软体驱动器在电压激励下能够获得大角度(最大42°)连续稳定弯曲变形以及较快的响应速度。     

一种电磁式集群磁流变电磁铁的结构设计及优化

合理的磁路结构及均匀的磁场强度是影响磁流变抛光效果的关键因素,基于电磁铁的特性并结合实验室提出的集群磁流变技术,设计了一种电磁式集群磁流变电磁铁。详细分析了集群磁流变电磁铁的结构设计,通过Ansoft有限元仿真对磁指长度、集群点阵的结构、集群点阵的间隙和集群点阵的深度进行仿真及优化。优化结果显示:磁指长度l=26mm,磁场区域可以实现由线域到面域;集群点阵为方形下凹,磁极表面磁场强度较大;集群点阵间隙为1mm、深度为2mm时,磁极表面可以获得比较均匀的面域磁场。     

机械式胀形关键因素对桥壳壁厚分布的影响

采用有限元模拟与试验相结合的方法,以ABAQUS软件为平台,建立桥壳机械式胀形工艺有限元模型,分析不同工艺参数对桥壳壁厚分布的影响规律。模拟结果表明:沿桥壳切口边缘壁厚分布不均匀,存在明显的壁厚增厚和减薄区域。增加工艺孔长度,壁厚减薄量显著减小,分布更均匀;增加工艺孔宽度,桥壳壁厚发生严重减薄的范围缩小,壁厚增厚量、减薄量均减小,分布均匀性提高;而两端施加轴向压力对壁厚分布影响较小。开展物理实验验证,测得的桥壳壁厚分布规律与模拟结果相一致,验证了数值模拟的可靠性。     

外加磁场对磁流体润滑油膜轴承的影响

为了研究磁流体润滑油膜轴承内磁场的分布情况,分别通过永磁铁、螺线管及亥姆赫兹线圈对其施加3种不同形式的外磁场。通过磁场二维实体有限元模型的数值仿真,分析在3种模型下磁流体润滑油膜轴承的磁场分布特性,并比较磁场在油膜区的分布情况。结果表明,永磁铁模型的磁场主要分布在永磁铁、油膜、轴承座以及靠近磁铁的轧辊部分,螺线管模型的磁场主要分布在油膜、轴承座以及靠近磁铁的轧辊部分,亥姆霍兹线圈模型的磁场主要分布在线圈以及油膜的端部;3种模型在油膜区磁场分布沿轴向均呈现中间小、两端大的不均匀现象,且具有端部效应;永磁铁模型和螺线管模型在油膜区磁场沿径向分布均匀,亥姆霍兹线圈模型沿径向分布不均匀。     

气动肌肉关节的刚度分析及变刚度运动控制

根据人腿髋关节、膝关节骨骼结构及拮抗肌肉运动发力特点,设计一种拮抗气动肌肉驱动的仿生单腿机器人;由三元素模型求单根肌肉及关节摆动下被动刚度特性,分析关节角度/刚度关系;为实现仿生腿膝关节刚度可控的角度控制,建立仿生关节关于角度/刚度的基本气压解算模型;基于计算力矩控制对非线性对象具有高度补偿线性化性,提出含力矩项补偿的改进气压解算模型。搭建仿真及样机实验平台,结果表明,含两种气压解算模型的双闭环控制算法均能较好跟随膝关节角度/刚度,含带力矩项补偿模型的双闭环控制算法对膝关节的角度/刚度控制精度优于含基本模型的双闭环控制算法。该算法适用拮抗气动肌肉关节的类人运动,可满足人机协作时可靠性、柔顺性、仿生性等要求。     

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。     

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。     

大斜度桥梁斜塔钢构爬模刚度仿真和结构优化

以淮北相王大桥为背景,对大斜度桥梁斜塔钢构爬模进行刚度仿真分析和结构优化。通过建立钢构爬模有限元模型,并导入 Workbench14.5进行仿真分析,得出爬模危险应力集中区域及最大变形量位置。并对下侧立面爬模结构进行优化,优化后爬模整体应力分布均匀,最大应力减少约30%,保证了爬模的刚度,控制模板的变形量。为大斜度桥梁斜塔钢构爬模设计提供了参考。     

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。     

一种面向航天需求的仿生柔性机械臂的设计

针对航天器舱内环境的障避实际需求,基于自然界象鼻的内部肌肉结构分布特点,设计一种多冗余自由度仿生柔性机械臂。该机械臂由8个柔性关节组成,每个柔性关节具有3个自由度,相比传统机械臂,具有结构紧凑、刚度较高、运动灵活、操作空间广泛等特点。针对所提出的单个柔性关节与多个关节组成的仿生柔性机械臂进行运动学建模分析。利用制作的仿生柔性机械臂,进行航天避障任务试验,验证了该机械臂结构的可行性。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

球铰刚度计算模型及靠冗余支链实现并联机床刚度的改善

以Stewart机构为例提出一种基于解析法和有限元法的刚度分析新方法。应用有限元软件模拟球铰内的非线性接触变形,将计算结果抽象成一个特征参数带入机构的刚度解析模型中,然后得到机构的刚度矩阵,以解决在解析模型中无法处理铰链刚性的问题,并采用有限元软件证实该方法的可靠性。如果在解析模型中忽略球铰变形,则整个机构的刚度解析结果将产生较大误差。在此基础上,应用该方法定量研究采用主动冗余支链对提高并联机床刚性的效果。结果表明,在一定工作空间范围内,主动冗余支链可以显著提高并联机床的刚性。     

橡胶节点对全主动液压减振器的影响

液压减振器两端橡胶节点能够保护作动器的安全,但其参数会对减振器的性能产生很大影响。将节点等效成并联的弹簧阻尼系统,建立了作动器橡胶节点的动力学模型,理论分析了节点刚度以及作动频率对作动力滞后相位的影响。充分考虑液压阀和负载的影响,利用SIMPACK和MATLAB建立了液压作动器和车辆系统的联合仿真模型,并对不同节点刚度的情况进行了仿真分析。结果表明:对于较低的工作频带,节点刚度对实际输出到车体上的作动力影响不大,但会造成作动器活塞杆的作动位移产生很大差异。最后,给出了实际应用中合理选择橡胶节点参数的建议。     

Magnetic flux distribution in a locally magnetized ferromagnetic object

A model experiment has been carried out on studying the type of changes in the magnetic induction in a homogeneous isotropic sample that is locally magnetized with attached U-type electromagnets of different geometrical dimensions. The study was aimed at finding out magnetic flux distribution at different locations within the sample and determining the effect that the geometry of attached electromagnets has on this distribution.     

SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接接头残余应力及变形研究

作为一种新型焊接方法,局部真空电子束焊接常被用于制造厚大的奥氏体不锈钢焊接接头,而该类接头的焊接残余应力和变形问题受到广泛关注。对板厚40 mm的SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接的对接接头进行了研究,并利用光学显微镜表征接头的组织形貌,利用显微硬度计测量接头的硬度分布,采用盲孔法装置和三坐标测量仪测量了接头的残余应力与面外变形。同时,基于ABAQUS有限元软件平台,通过编写用户子程序开发了一种复合热源模型来模拟局部真空电子束焊接过程中的热输入。采用所开发的“热-弹-塑性有限元”计算方法,模拟了接头在局部真空电子束焊条件下的残余应力与变形,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了所开发的“热-弹-塑性有限元方法”的有效性。同时基于数值模拟结果,还详细讨论了局部真空电子束焊厚板对接接头的残余应力分布与焊接变形特征。     

Effects of preloads on joints on dynamic stiffness of a whole machine tool structure

The machine tool joint is a very important factor in the overall machine tool dynamic analysis, and it has great effects on the machining performance of a machine tool. As a very important operation parameter, preload greatly influences the stiffness and the damping of a machine tool joint. This paper presents the effect of preload on the dynamic stiffness of the spindle nose of a horizontal machining center. By discussing types and distribution of machine tool joints, studies on the joints of ball screws, linear guides and bolts are carried out. The influence of preload on the axial stiffness of a ball screw is calculated based on Hertzian contact theory and the effect of pretightening moment on pressure of bolt joint is discussed, while the dynamic stiffness and the damping of a linear guide are identified by an optimum algorithm with the simulated and experimental results. A finite element model (FEM) of the whole machine tool structure considering the effects of different joints is created and verified against the test results, and then the influence of preloads on ball screws and linear guides is predicted. Results indicate that preloads on machine tool joints have significant effects on the dynamic stiffness of the spindle nose.     

绳索驱动式变刚度关节柔顺控制与力补偿方法研究

机器人柔顺运动有助于提高机器人交互运动时的安全性与稳定性,越来越受到人们的重视。针对一种绳索驱动式具有主被动柔顺性的柔性机器人关节,提出一种适用于绳索驱动式变刚度关节的刚度与位置解耦控制方式,实现了关节位置控制的同时,又实现了关节柔顺性的统一。利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,并通过优化方法对变刚度装置的力学模型和刚度模型构成的非线性方程组求解,实现变刚度关节刚度与位置的非线性解耦。在解耦控制基础上提出一种力矩观测方法,实现了关节力矩补偿,增强了关节位置控制能力;建立了绳索驱动式变刚度关节样机和控制系统,并通过仿真和实验分析的方式验证了所提柔顺控制方式的可行性和有效性。     

一种多轴数控机床末端静刚度快速辨识方法

提出了一种基于可加载式球杆仪的圆运动对多轴机床末端（刀具和工作台）静刚度进行辨识的方法。设计了一种特殊的可加载式球杆仪,能同时测量仪器两端所承受的力和发生的位移,利用该仪器能测量出数控机床末端在不同载荷下所产生的变形误差。将加工空间内机床末端静刚度分解为沿坐标轴x、y和z的方向刚度,建立了一种基于圆运动的刚度辨识模型,利用球杆仪在机床oxz、oyz和oxy平面内进行圆运动轨迹测试,得到机床末端在不同载荷下的变形误差,进而通过刚度辨识模型得到机床的方向刚度。三轴数控铣削机床刚度测试实验结果和仿真结果的一致性证明了所提出方法的有效性。该测试方法简单,仪器轻便,不需要大型和重型的加载设备,适合于工业现场条件。