仿生章鱼爪气动螺旋软体驱动器仿真及实验

由弹性材料制成的气动多腔室型软体驱动器可以通过简单的控制产生复杂的运动。提出并设计了0°PN和60°PN两种多腔室仿生章鱼爪软体驱动器。0°PN软体驱动器能够进行二维弯曲运动,60°PN软体驱动器在0°PN的结构基础上更改腔室角度,能够实现三维空间的弯曲和扭转,形成螺旋结构。使用Abaqus软件对软体驱动器进行有限元分析,得到两种软体驱动器的气压-位移变化曲线、气压-末端输出力变化曲线。利用模具浇铸法制作0°PN和60°PN软体驱动器,并开展两种软体驱动器在不同气压下的弯曲试验和末端输出力的测量试验,实验与仿真结果一致,结果表明60°PN软体驱动器的气压承载能力提高1.5倍,末端输出力提高1.8倍。     

仿鳐式软体驱动器弯曲预测方法的研究

相对于传统的刚性机器人,由硅胶等柔性材料制造的软体机器人在结构上具有自由度高且能够进行连续形变的特点。目前,多数软体驱动器的气腔形状为等截面形态,而对于变截面软体驱动器的研究却少有涉及。为了解决这一问题,从鳐鱼的运动受到启发,设计了一款气腔截面纵向变换仿鳐式软体驱动器。驱动器限制层设计为不可压缩的薄层,结合应变能密度等理论,提出一种预测驱动器的弯曲变形角度的方法。通过3D打印技术制作模具,浇注模型,制作出仿鳐式软体驱动器。通过理论分析、有限元仿真、实验对比验证其数学模型,绘制仿鳐式软体驱动器在0.02～0.07 MPa气压下的中心线轨迹,分析输入气压与末端输出力的关系,验证了驱动器的理论分析、有限元仿真与实验结果在一定的误差下基本一致。其预测方法表现良好,为进一步研究仿鳐式软体驱动器在空间形变提供理论方法。     

基于RobotStudio的塑料瓶分拣机器人设计

针对塑料瓶在传送带上位姿不固定无法准确抓取的情况,设计出了一种吸盘与L型对称夹爪相结合的夹持式机构。首先利用SolidWorks画出末端执行器的模型并利用自带的插件对其进行动画仿真;然后利用ADMAS软件进行运动分析,证实该末端执行器可以对不同大小的塑料瓶进行精准的抓取;最后使用RobotStudio对分拣工作站进行布局设计以及仿真,并对仿真的结果分析。实验证明：该末端执行器能够快速、精准地对塑料瓶进行抓取,且分拣效率较高,符合工业自动化的需求。     

一种仿生软体驱动器的设计与弯曲建模研究

针对软体驱动运动学建模的问题,对软体驱动器两气压驱腔耦合驱动、内嵌约束弹簧和施加气压状态下的弯曲运动等方面进行了研究,提出了一种新型的仿生软体驱动器结构,实现在单个方向内前后大角度的弯曲。利用驱动器变形后的几何分析以及力矩平衡方程,建立了软体驱动器的静态模型和主动弯曲数学模型,建立了驱动器输入气压与弯曲角度和弯曲半径二者之间的映射关系;提出了一种电、气联合控制,且基于SMC气压比例阀的实验系统,对软体驱动器进行了输入气压发生弯曲的实验。研究结果表明:在0. 18 MPa的气压范围内,实验结果数据与理论数据基本一致,验证了理论模型的正确性。     

大负载气动软体末端执行器的设计与分析

软体末端执行器是软体机器人领域最具有发展潜力的研究方向之一,但由于软体材料本身的固有性质以及设计与制造技术手段的限制,其普遍存在负载能力低的不足,这也成为了软体末端向多领域拓展所必须解决的难题。基于纤维增强型软体驱动器及其布局优化方法,提出了一种大负载气动软体末端执行器,在结构上采用了单根气动人工肌肉缠绕布局的新型抓持体构造方法,在抓取原理上采用了封闭内腔收缩包裹的方式,在控制上通过充气和放气两个开关动作便可实现目标的抓取和释放。其融合了大力型软体驱动器与封闭结构的双重特性,充分发挥了编织网型气动人工肌肉收缩力大和软体封闭保持体受力稳定性好的优点,大幅度提升了气动软体执行器的抓取力。试验证明所提出的大负载软体末端能够自动适应不同形状和材料的物体,负载能力可达到30 kg,是其自重的40多倍。研究成果为大负载软体末端的研制提供了新思路、新方法,有望从实验室进入实际应用领域。     

双作用气动软体驱动器的设计与分析

为模仿环节动物的纵肌与环肌功能，实现驱动器径向运动和轴向运动的拮抗作用，设计了一种双腔体双作用的气动软体驱动器。该软体驱动器由可实现轴向伸长运动的内腔轴向驱动器和可实现径向膨胀变形的外腔径向驱动器组成。为提高性能，软体驱动器外部结构采用了折叠方式，并通过有限元仿真分析了不同折叠参数对性能的影响。经实验测试，在0.03 MPa的通气压力下，六折叠结构软体驱动器最大轴向伸长率可达到24.2%，实现了对环节动物纵肌与环肌功能的模仿。     

一种新型软体驱动器的设计与研究

现有软体机器人的驱动器结构大多为纤维增强型和多腔体型,针对此类软体驱动器存在的问题,开展新型软体驱动器的研究.首先介绍了新型软体驱动器结构的设计思路,为进一步研究结构的合理性,进行了基于Yeoh模型的软体驱动器弯曲特性理论的分析,得到曲率半径与充气压强之间的数学模型,并通过软体驱动器的制作和实验平台的搭建对理论模型进行验证,证明了结构模型的正确性.     

三维气动软体驱动器弯曲建模与分析

为设计弯曲性能优越的三维气动软体驱动器,针对单腔通气时驱动器的弯曲变形机理,展开了弯曲特性的研究。首先基于Yeoh模型的能量密度分布函数,结合驱动器弯曲时的静力平衡方程,建立驱动气压与驱动器弯曲角度变形的非线性数学模型;其次,通过数学模型分析气腔半径、中心圆半径以及壁厚对弯曲的影响,并通过建立单目标多约束优化模型寻找最优尺寸组合;然后通过有限元仿真,进一步研究两腔通气时驱动器弯曲角、偏转角与末端点坐标的变化规律。最后通过对比理论模型、有限元仿真、样机试验的数据。结果表明:在60kPa气压的范围内,理论结果、仿真结果与试验结果的表明上述分析参数对弯曲影响的趋势保持一致,从而验证了理论模型的正确性。上述研究为设计气动软体弯曲驱动器提供了可靠的理论基础。     

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。     

轻韧型软体夹持器的仿生设计与研究

为了使夹持装置柔软度和承载力兼备,受草本植物茎与花冠结构启发,设计了类似花冠收拢的螺旋式包络和仿植物茎刚度增强方案,每个夹爪呈螺旋状弯曲,通过在夹爪结构内逐个腔室横截面方向嵌入筋板来增大末端输出力,在对变形角度影响较小的条件下有效增大了夹爪末端输出力,并对改善软体执行器的迟滞性有显著效果。制作、组装软体夹爪进行了测试,试验结果表明,轻韧型软体夹持器在自重较轻和收拢尺寸较小的情况下,具备良好展开、包络和承载能力,不仅对轴对称形物体有良好的抓持效果,对于传统夹持器难以夹持的非对称形物体,除花冠式收拢动作外,夹爪还能缠绕物体以增强夹持效果。     

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。     

蠕动式气动软体管道机器人设计与实验

仿照蠕虫运动机理,利用自主研发的径向膨胀和轴向伸缩软体驱动器,研制了一种蠕动式气动软体管道机器人。研究了两种驱动器的结构设计和工艺流程;并进行了静力学实验,获得了驱动器静力学特性;依据轴向伸缩软体驱动器的形变原理,建立了机器人的运动学模型,获得了在不同气压、频率和负载情况下机器人的运动性能。结果表明,管道机器人具有较好的灵活性和适应性,可在一定直径范围的管道内自由爬行,爬行最大运动速度可达4.64 mm/s,负载能力为1000 g。     

隔膜泵用电磁执行器的软着陆设计与仿真

电磁螺线管驱动器行程短,响应速度较快,从而实现快速动作,常用于快速直线运动的工业应用中,如隔膜泵的直线驱动。在实际应用中,隔膜泵中柱塞的高速冲击大大降低了隔膜的寿命并带来较大的噪声。通过经验公式建立隔膜泵中电磁驱动机构模型,并通过比例积分微分控制对电磁驱动机构模型进行控制,实现柱塞的软着陆,从而提升隔膜泵的性能。通过COMSOL软件分析隔膜泵柱塞在瞬态磁场下柱塞的运动特性,并对驱动控制参数进行调整,最终实现隔膜泵电磁执行器软着陆。     

基于改变正压力的惯性式压电旋转机构的研究

提出通过机械方式控制压电移动机构和支撑面之间摩擦力的有序变化,形成有规律的新型惯性式压电旋转机构的研究方案。设计了旋转机构的结构模型,分析了机构的运动原理,建立了机构的动力学模型,应用现代控制理论,利用Matlab对机构进行了运动学仿真,得到了机构位移、速度仿真曲线,设计、制作了旋转机构样机,并作了相关的性能测试。仿真分析结果和试验结果表明了运动机理和动力学模型的正确性。     

一种流体驱动式模块化软体仿生象鼻关节变刚度结构设计及仿真分析

在兼顾软体抓持装置顺应性的前提下,为进一步提升其承载能力,提出一种采用磁流变液变刚度控制的流体驱动式模块化软体仿生象鼻机构。建立了仿生象鼻关节变形量和刚度理论数学模型;利用有限元分析方法基于Yeoh模型对不同结构参数的仿生象鼻关节进行了变形仿真分析,在相同压力下优选出了变形量最大的模型结构和确定了最佳输入气体压力值;对关节变形后两端电磁铁的叠加磁场分布进行了有限元仿真,通过分析磁场分布均匀性初步确定了两端电磁铁形成磁场的最佳距离即关节长度;最后对不同长度关节进行了变形仿真分析,综合考虑磁场分布均匀性和变形量,通过两者的最优组合确定最终关节长度,验证了仿生象鼻的多自由度变形和可变刚度特性。     

小口径防空火炮内膛往复振动式气动擦拭机器人设计

针对小口径防空火炮的内膛特殊擦拭要求,进行了往复振动式气动擦拭机器人的机构优化设计与关键技术研究,设计一种往复振动式气动擦拭机器人主机,构建“通用气源+滑块式气动振动器+型号毛刷”的配置架构,在通用空压机供气下,通过更换不同直径毛刷可满足对30mm、35mm和37mm系列小口径来复线炮膛的擦试保养;运用仿真软件进行了关重件的运动仿真和有限元分析,并进行了样机擦拭实验。结果表明,小口径防空火炮内膛往复振动式气动擦拭机器人设计与应用,可提升小口径防空火炮内膛平时和战时擦拭保养能力。     

一种通用型气动软体夹持器的设计与分析

由柔性材料制成的末端软体夹持器依靠结构本身的弹性变形实现对物体的无损抓持,具有自由度高、适应性强的特性,在非结构化环境中具有广阔的应用前景。目前,多数软体夹持器功能单一,适应性差,难以实现对各种形状、尺寸物体的通用抓取。为解决这一问题,通过分析形状尺寸各异物体对软体夹持器结构及性能的要求,结合现有夹持器的优点,设计出一种中间部位能抓取体积较大目标、尖端部位可精确夹持细微物体的通用型气动软体夹持器。基于Yeoh模型建立夹持器变形角度与压力关系数学模型,使用ABAQUS软件对其进行正压和负压仿真,分析出夹持器的弯曲变形情况,得到其极限气压。通过实物的变形实验,得到仿真结果和实验结果相对误差为9.10%,验证了仿真的有效性和变形角度与压力关系数学模型的准确性。     

非线性接触下直线电机悬架作动器模态分析

针对直线电机式悬架作动器模态分析误差较大的问题,提出影响分析结果的非线性因素--法向接触刚度,通过优化接触刚度因子实现对作动器模态的精确分析。利用ANSYS Workbench对其进行了有限元仿真,研究了作动器各部件在不同阶数下的固有频率变化值,获得了作动器固有频率与接触刚度因子的相互影响关系,得到了作动器在最优接触刚度因子下的固有频率与振型图,分析了运行速度与模态频率之间的关系曲线。结果表明:初级铁心对样机结构整体频率影响最大;接触刚度因子等于0.6时,固有频率最优以及形变位移值最小;在第2阶频率下,作动器整体变形量较小,最大变形集中在次级铁心两端量;模态频率随运行速度的增大而增大。最后对悬架作动器样机进行了模态试验,仿真值与试验值较好吻合,验证了分析结果的正确性。     

石蜡驱动器感应加热耦合场的数值模拟

结合实验结果,应用改进的ANSYS软件,采用一维轴对称模型对石蜡热膨胀驱动器中频感应加热温度及其分布进行了数值模拟.介绍了正弦电流感应加热中电磁-热耦合分析的数学模型和分析步骤,石蜡的固-液相转变分析和玻璃有效导热系数处理.结果表明,数值模拟算法是非常有效的,模拟结果与实验测试结果具有非常好的一致性.