约束结构对单向弯曲柔性关节形变能力的影响

研制了一种新型气动柔性关节,能够实现较大的弯曲变形.该关节属于气动复合弹性体,在弯曲变形时具有非线性、大变形的特点,理论建模难度较大.通过改变约束结构和形状进行驱动变形实验,研究约束结构和形状对关节形变能力的影响.结果表明:在同样厚度约束件下,圆环面约束关节的端面转角大于圆柱面约束关节.圆柱面约束时,关节端面转角随着约束件厚度的增加而减少;圆环面约束时,关节端面转角随着约束件厚度的增加而增大.     

人工肌肉多自由度弯曲柔性关节的仿生蛇形机器人

设计了一种由气体驱动的波壳伸缩式人工肌肉的、多方向弯曲的柔性关节,阐述了由此弯曲关节为基础的模块、及由多模块构成的蛇形机器人的设计思路.此关节原理采用万向节为柔性骨架,弹性的波壳受气压后轴向膨胀作为肌肉动力.给出了柔性关节的简单结构、蛇形机器人的基本构造、接受与控制系统的硬件组成,气体驱动系统的原理图以及旋转配气阀的结构.     

基于气动人工肌肉力反馈数据手套的柔性物体力觉再现

为了模拟抓取虚拟环境中柔性物体的力觉感知,该文对以气动人工肌肉作为驱动器的外骨架力反馈数据手套进行了研究.利用气动人工肌肉的等压特性,建立了柔性物体模拟的数学模型,通过改变气动人工肌肉的充气压力改变其刚度系数,实现对不同柔性物体的模拟.实验结果表明:在相同的手指弯曲角度下,手指的受力随着气动人工肌肉充气压力的增大而增大,因而能够模拟抓取虚拟环境中柔性物体的力觉感知.     

四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析

基于四足生物动态步行时其柔性机体辅助腿机构的运动机理,设计了一种由气动人工肌肉、仿生脊柱、前机体和后机体组成的四足机器人仿生柔性机体.采用几何法分析仿生柔性机体运动学,建立四足机器人转向时仿生柔性机体弯曲角与气动人工肌肉长度变化间的关系,通过控制气动人工肌肉长度以控制机体弯曲.基于浮动坐标法和动量矩定理进行仿生柔性机体刚柔耦合动力学建模,对比分析了不同机体刚度下机体弯曲所需气动人工肌肉驱动力.设计仿生柔性机体弯曲控制实验系统,采用PID控制算法进行机体弯曲实验分析.四足机器人的仿生柔性机体分析,为提高其非结构化环境机动性奠定了基础.     

关于PMA驱动的手指关节半径优化问题的研究

提出在气动人工肌肉驱动的关节系统中存在一个最优关节半径,使得对同一系统输出转矩达到最大. 通过分析气动人工肌肉静态特性模型,推导出关节静特性模型. 改变气动人工肌肉的结构参数或状态参数进行仿真,得到关节半径变化与关节输出转矩之间的关系,并计算出最优关节半径. 关节转角越大,最优关节半径越小;肌肉越长,最优关节半径越大,肌肉的直径对最优关节半径影响不明显. 该分析方法与结果对气动肌肉驱动的灵巧手的结构设计起到有效的指导作用.     

基于PSO的气动人工肌肉驱动关节优化的研究

提出在气动人工肌肉驱动的关节系统中,存在一个最优关节设计,包括关节半径、肌肉附着点最优位置等,使得对同一系统输出转矩达到最优.通过分析气动人工肌肉静态特性模型,推导出关节静特性模型.改变气动人工肌肉的状态参数进行仿真,得到关节半径变化、肌肉附着点变化与关节输出转矩、收缩量之间的关系,并利用PSO计算出最优关节半径与肌肉附着点最优位置.此分析方法与结果对气动肌肉驱动的仿生手臂的结构设计起到有效的指导作用.     

水压人工肌肉的压力控制与静态特性试验

水压人工肌肉与气动人工肌肉因介质压缩性差异,驱动控制过程和特性不同.为了实现对新研制的高强度水压人工肌肉的驱动控制并分析其静态特性,提出了新的水压人工肌肉压力控制回路,建立了测试试验系统.压力控制回路调压试验表明,在水液压比例节流阀10% ～ 90%输入范围内,水压人工肌肉驱动压力可实现较大范围的线性调节;静态试验结果表明,水压人工肌肉收缩量、驱动压力和输出力满足理论关系式.所研制的水压人工肌肉能够承受4 MPa的内部水压力和14 kN的负载拉力,通过静态特性试验及与现有静态模型比较分析,获取了模型参数,为水压人工肌肉机械关节的驱动与控制提供了条件.      

气动人工肌肉驱动关节PID位置控制

气动人工肌肉是一种由气压驱动的收缩型气动执行器,由气动人工肌肉驱动的人工关节具有重量轻、柔顺性好等特点.由于人工肌肉存在着明显的非线性、滞环大等缺点,对其位置控制有一定的难度,必须采取适当的控制策略才能得到较高的控制精度.本文介绍了一种以人工肌肉驱动关节为控制对象的位置控制系统,通过PID控制算法实现位置闭环控制.实验结果验证了控制策略的有效性,为气动人工肌肉驱动关节的应用打下基础.     

一个由Mckibben肌肉驱动的类人关节

建立了一个类人的机器人关节,由两条对抗设置的Mckibben人工肌肉驱动. 简单介绍了Mckibben肌肉的力特性模型,推导了关节角度和Mckibben肌肉长度间的关系,从力学角度讨论了最大可能旋转角度,分析了Mckibben肌肉与关节的连接位置及关节结构参数对关节旋转角度的影响,并把类人关节和人类关节进行了比较. 结果表明,Mckibben肌肉的收缩率和关节结构参数对关节旋转角有较大影响,关节内侧的Mckibben肌肉与关节的适中连接位置可使关节角达到极大值.     

气动扇形柔性关节多指灵巧仿人机械手

为了满足服务型机器人对人机交互动作柔软性、安全性的高要求,基于仿生学理论提出了一种气压驱动扇形柔性关节,并将其用于多指灵巧仿人机械手的构建。采用柔性关节驱动和刚性手部骨骼相结合的设计理念,兼顾手部刚度与柔性。通过关节角度的检测和供气压力的调节,实现手指关节弯曲角度和手指抓握力的连续控制。描述了扇形柔性关节的工作原理和结构设计特点,以及手部整体结构的设计,并对机械手抓握动作和功能进行了试验分析。试验结果表明:柔性多指灵巧仿人机械手能够完成各种手势以及对球状、圆柱状和卡片状等物体的抓取。     

铝合金板式节点初始刚度

铝合金板式节点变形分为节点板中心区域变形、节点板与杆件错动以及杆件自身变形三部分.对铝合金板式节点的受弯机理进行分析,得到节点初始弯曲刚度公式.在试验基础上,分析试件的抗弯性能,得到弯矩-转角曲线.采用ABAQUES软件对节点进行数值模拟,数值结果与试验结果吻合较好.通过参数分析得知节点板厚度、杆件截面高度、螺栓数量及节点板半径对节点初始弯曲刚度的影响.最后将理论结果分别与数值结果和试验结果进行比较,验证了公式的合理性.     

硫酸盐侵蚀后地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学模型

基于地铁盾构隧道混凝土被硫酸盐侵蚀实际工况,建立了能够考虑接缝细部构造、表面混凝土及螺栓等且接缝截面可离散为不同类型受压区的纵缝接头正弯矩力学模型。采用全积分形式进行混凝土本构关系运算,适用分析混凝土被硫酸盐侵蚀后接缝面混凝土压碎、螺栓屈服以及接头极限状态。结合数值计算进行对比分析,两者结果基本一致,验证了力学模型合理性。研究结果表明:正弯矩作用下,混凝土被硫酸盐侵蚀对纵缝接头力学性能的影响主要表现在外表面边缘混凝土接触之后。随着硫酸盐侵蚀时间的增长,纵缝接头极限弯矩不断减少,但减幅较为平均。同时,各变形量最大值也随着侵蚀时间的增长而减小,但减幅各自不同。随着硫酸盐侵蚀厚度的增大,纵缝接头极限弯矩及各变形量最大值均不断减少,且减幅不断增大。     

基于单向气动驱动器的软体手变形机理

针对软体气动驱动器的变形机理,以气动驱动软体手为研究对象,开展了基于单向气动驱动器的软体手指弯曲和摆动机理的研究。设计了气动驱动软体手,其弯曲和摆动结构均由多个相互连通的气室和一个不可延伸层组成。当相邻气室因充气膨胀而相互挤压时,气室受到不可延伸层的约束,实现了弯曲和摆动变形。为进一步考察软体手的变形机理,对620#T超弹性硅橡胶材料的非线性力学特性进行了研究,测定了其材料常系数。基于Yeoh模型密度函数,结合空间力矩平衡方程,建立了驱动压强和曲率半径的理论模型,并开展了软体手指弯曲及摆动变形的仿真研究,结果证明了理论模型的正确性。研究结果可以为其他基于气动驱动的软体结构变形机理研究提供理论基础。     

排砂管线弯接头的冲蚀机理研究

排砂管线是气体钻井中不可缺少的地面设备之一,在高压高产气井的钻井中存在安全隐患,常规情况下通常
被人们忽略。排砂管线失效主要由高速气流中的固体颗粒冲蚀破坏,通常发生在弯接头部分。针对排砂管线弯接头
的冲蚀失效情况,开展冲蚀破坏机理的理论研究和数学模型研究,对弯接头的冲蚀攻角、冲蚀函数、冲蚀颗粒形状系数
以及固体颗粒的受力状况进行探讨。建立排砂管线弯接头的CFD 有限元模型,可以任意改变弯接头的角度,定量地
模拟不同工况下含有固相颗粒的多相流对弯接头的冲蚀速率和冲蚀机理,对排砂管线在气体极限流量100×104 m3/d
和50×104 m3/d 的工况下,对不同含砂量进行一系列的CFD 仿真模拟,得出冲蚀速率随弯接头角度变化定量的关系曲
线,为弯接头的结构优化设计提供理论依据。     

高速公路隧道装配式仰拱接头力学性能研究

为研究公路隧道装配式仰拱结构接头的力学性能,首先建立装配式仰拱接头三维数值计算模型,模拟接头细部结构,分析比较弯螺栓、直螺栓对仰拱接头在不同轴力、弯矩组合作用下接头张开量、转角、螺栓应力以及接触压应力等的变化规律。然后采用大比例尺室内仰拱接头加载试验对模拟结果进行验证。结果表明：接头张开量、转角随着弯矩增加不断增大,接头抗弯刚度不断降低;接头张开量、转角随轴力增加而减小,接头抗弯刚度则不断增大;弯螺栓接头抗弯刚度大于直螺栓接头抗弯刚度;螺栓整体受拉,螺杆受力状态与螺栓形式及接头变形有关,整体上弯螺栓应力大于直螺栓应力。对比分析数值和试验结果,整体变化趋势一致。研究成果为公路隧道装配式仰拱接头设计提供参考。