颗粒驱动软体驱动器设计及FEM-DEM运动分析

颗粒物质具有流动传压和阻塞刚化的双相特性,是变刚度软体机器人的理想驱动介质.由于颗粒物质复杂的力学特性,颗粒驱动软体机器人运动预测极具挑战性.综合考虑颗粒物质的离散性和超弹软体型腔的连续性,本文提出了一种基于FEM-DEM耦合计算的软体驱动器运动分析方法.为降低颗粒充入软体型腔时的局部径向膨胀,设计了具有径向增强约束的弯曲驱动器软体型腔结构.利用FEM-DEM耦合计算方法对此驱动器的运动变形规律进行了分析,同时采用基于颗粒物质Mohr-Coulomb连续介质模型的FEM开展了对比计算.利用3D打印和硅胶浇注技术制造驱动器样机,测试了软体驱动器的运动特性及变刚度能力.研究结果表明:与基于Mohr-Coulomb模型的FEM相比,利用FEM-DEM耦合计算方法,可使驱动器弯曲角度的预测精度提高约14.3%;使用较小直径的颗粒介质可以提高机器人的变形能力;与前期研究中的原始方案相比,本文提出的径向增强约束驱动器在不削弱刚度调节能力的前提下,最大弯曲角度从48.9°提升至了72.7°.     

变截面弹簧设计及其刚度特性分析

根据超越弹簧离合器高速化,轻质化的应用需求,在弹簧扭矩变化规律分析基础上,基于等强度原理,得到了弹簧截面的变化规律和弹簧螺旋线方程。应用MATLAB和Pro/E建立了变截面弹簧的三维数值模型。采用有限元方法,对弹簧离合器在传递过程的应力和弹簧的径向、轴向、扭转刚度特性进行了分析。结果表明:设计的变截面弹簧在传递扭矩过程中,应力均匀,变截面弹簧达到了轻质、等寿命的设计要求;弹簧的径向刚度呈非线性,而扭矩刚度和轴向刚度呈线性。     

一种斜推式爬墙机器人的分析与设计

为解决爬墙机器人载重小、效率低等问题,提出了一种利用涵道风扇的斜推力使机器人吸附在墙面的爬墙原理,并制作了一款样机验证原理的可行性。这种爬墙机器人的风扇推力与墙面之间有一个夹角,将推力分解成沿墙面竖直向上的分力和垂直于墙面的附着力。机器人依靠风扇向上的分力和因附着力产生的摩擦力的合力而停附在墙面。通过实验,机器人停附在墙面上所需推力小于自身重力,推力的利用率高。     

基于ARM和freeRTOS的围棋机器人控制器设计

为满足围棋机器人低成本、高性能的要求,设计了一种基于ARM处理器和RTOS的嵌入式控制系统。控制器主控芯片采用基于ARM Cotex-M4内核的STM32F407ZGT6处理器,在其上搭建串口通讯、FRAM储存器、脉冲输出等多个外设电路;软件设计基于free RTOS建立多个应用任务,实现加减速控制、3轴直线插补、轨迹生成等下棋必须的任务功能,软件结构层次清晰。最后通过多个运动实验验证了控制器方案的可行性,由此设计的围棋机器人控制器具有结构清晰、实时性好的优点。     

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。     

基于双目视觉测量系统的机器人误差检测方法

针对机器人存在的几何参数误差影响绝对定位精度的问题,提出一种基于双目视觉测量系统的机器人误差检测方法。采用修正的DH(MDH)模型建立了带几何误差的机器人运动学模型,根据工具中心点(TCP)实测点与误差补偿后的理论点应重合的原理,推导出误差辨识模型。为构建约束方程,利用平面和空间圆拟合,实现了测量坐标系到基坐标系的转换。通过仿真确定了可辨识的误差,初步验证了误差检测方法的有效性。搭建了误差检测实验装置,使用Handyprobe光笔测量仪进行了误差检测实验。误差补偿后,检验点组绝对定位误差均值减小81.02%,证明了基于双目视觉测量系统的机器人误差检测方法的有效性和可行性。     

基于可测距平板工具的机器人TCP标定方法

针对工业机器人工具中心点（Tool Center Point,TCP）标定,提出一种基于带二维测距功能标定工具板的标定方法。标定工具板能够感知机器人TCP的触碰,并测量任意两触点之间的距离。使机器人TCP与标定板触碰四次,并以触点形成的线段长度为坐标变换不变量为约束,建立TCP参数标定模型。该模型包括一个三元二次代数方程组,通过消元法可求出其所有可能解,并提出了真实解的判定方法。通过数值仿真,验证了所提出方法的可行性。以电阻触摸屏作为标定板为例,分析了标定板距离测量分辨率对标定精度的影响规律。以电阻屏为标定板进行了参数标定实验,证实了该方法的准确性。方法标定过程简单,易于实现自动化,适用于大多数工业机器人的工具坐标系的标定。     

基于指数积公式的串联机构运动学参数辨识实验

将指数积公式引入基于关节运动轨迹的串联机构运动学参数辨识.利用坐标测量仪测量各关节的运动轨迹,处理测量数据,得到各关节的运动轨迹方程.根据指数积公式对移动副和转动副的定义,直接从关节运动轨迹方程得到实际的关节旋量和实际的关节变量计数当量,从而避免了繁琐的各连杆坐标系的构建过程和坐标变换矩阵的还原过程.该方法已用于数字化...     

颗粒阻塞软体驱动器承载特性研究

颗粒阻塞效应广泛用于提高软体驱动器的承载能力,为了深入研究阻塞态驱动器的承载规律,对颗粒阻塞弯曲软体驱动器的受载变形规律进行实验测试和理论分析。驱动器的受载变形分为弹性变形和塑性变形两个阶段,塑性阶段具有近似线性的应变强化现象,且流动阻力波动较大。增大驱动器内外压差后,弹性系数、屈服力及应变强化程度均显著提升。屈服力和应变强化程度对驱动器承载性能的影响更大,仅考虑颗粒阻塞的变刚度效应是不全面的。同时基于石膏粉末3DP打印技术提出一种新的硅胶型腔消失模制备方法,可提高效率和精度。