颗粒阻塞变刚度可折叠柔性臂设计

针对折纸结构存在的刚度恒定不变及刚度不足难题,基于折纸结构和颗粒阻塞原理,笔者提出一种质量小、惯量低、刚度调节范围宽、空间折展比大、制作成本低的变刚度可折叠柔性操作臂。首先,设计了由多个折叠柔性单元串联而成的折叠柔性臂的三维结构方案;提出基于颗粒阻塞原理的折叠柔性臂的刚度调节方法,完成了柔性臂变刚度系统方案设计;提出电机驱动、绳索传动的折叠柔性臂驱动方案,以实现柔性臂的位姿变换;最后,完成变刚度折叠柔性臂的样机制作和弯曲变形实验、刚度测试实验测试。样机实验测试结果表明:所提出颗粒阻塞变刚度可折叠柔性臂的弯曲实验结果与运动学模型、刚度模型的理论计算结果较为一致,验证了该变刚度柔性臂的设计方案的正确性。

基于颗粒阻塞变刚度驱动器的折纸单元设计

折纸结构具有柔顺、大折展比特性,人和环境的交互适应性较优,在新型柔性驱动器、执行器、传感器领域具有较大的学术及应用价值。针对折纸机构存在的刚度不足难题,基于颗粒阻塞原理设计了折纸单元的变刚度驱动器。首先提出了基于颗粒阻塞原理的变刚度折纸单元模型,其次运用流体加压模型与赫兹接触模型建立折纸单元的变刚度模型,最后对变刚度驱动器内部气压、填充颗粒半径对锁紧力矩的影响进行仿真分析。仿真结果表明:填充颗粒的半径越小,变刚度驱动器的最大刚度越大;驱动器内部气压控制驱动器整体刚度,单个变刚度驱动器的最大刚度为182 N/mm(约为最低刚度的4.3倍),为后续提高柔性折纸单元刚度的研究做出了有益的探索。

具有大开距的塑壳断路器操纵机构优化设计

为满足高电压直流塑壳断路器的使用要求,在断开过程中需拉长电弧,使电弧更容易熄灭,因此在针对断路器分断能力提升的设计中通常对其开距、分断速度以及灭弧系统进行优化。提出了一种具有大开距的塑壳断路器的优化方法,对断路器操纵机构进行了运动学建模和参数优化。首先建立五连杆操纵机构的位置模型;然后以五连杆杆长为优化变量,以位置方程所得解析解并结合机构相关参数值作为限制条件,以瞬时速度方程作为目标函数,采用非线性规划的粒子群算法,对操纵机构进行优化,并得到优化后的杆长;最后采用ADAMS动力学仿真软件对优化结果进行仿真验证,分断时间为6.2 ms,动触头旋转角度增加了10°。结果表明,所提出的塑壳断路器优化方法可在分断时间较短情况下有效提升断路器的开距值。为高性能直流塑壳断路器的研制和优化提供参考。

折叠式柔性关节设计及运动学建模

针对串联柔性连续体在实际应用时不能很好地适应作业环境所需的末端位姿的问题,课题组提出了折叠式柔性复合关节:利用三浦折痕原理设计了折叠式扭转关节;改进水弹折痕设计了折叠式摆转关节;将折叠式扭转关节与摆转关节按一定顺序串联得到折叠式柔性复合关节。用几何方法得到了各个单元和折叠式柔性复合关节的运动学模型。软件仿真结果验证了所提出的模型的正确性。课题组的设计增强了串联连续体对作业环境的适应性。

基于2UU-UPU并联机构的4足机器人设计

针对串联4足机器人负载能力低及由误差累积导致的控制精度低的问题,课题组采用2UU-UPU并联机构作为4足机器人大腿基本构型,并在动平台上添加一长杆作为小腿结构设计了新型4足机器人。首先基于修正的Kutabach-Grübler公式计算单腿机构的自由度并进行验证;其次利用几何关系求解该结构的逆解表达式;然后基于结构的约束条件,借助MATLAB软件求得该并联机构的工作空间;接着在SolidWorks中建立4足机器人的三维模型;最后进行4足机器人的步态规划和仿真分析。结果表明:该机构工作空间大,运动平稳,控制方便,适合作为4足机器人腿部结构。该研究在工程上有一定的实用性。

折纸启发的折叠式柔性关节及步行机器人设计

基于折纸折叠原理启发的新构型的开发与应用日益成为相关领域的研究热点,其中,平面折痕的设计、三维形体的折叠、构型的运动特点、自由度及与之相配合的驱动设计都是需要解决的问题。首先,在经典的Water-Bomb折纸基本单元的基础上设计出具有单自由度的非汇交折叠单元的平面折痕,将基础折痕进行组合设计以及三维折叠设计,得到两种具有一定刚度且可实现折叠运动的立体单元:可折叠式移动副、可折叠式转动副。同时,由可折叠式转动副启发设计出一种可与基础非汇交单元相配合的软体驱动,并与两种立体单元进行组合,实现了对立体单元的稳定控制;在实验中发现,软体驱动对立体单元输入角的控制可同时控制立体单元的刚度。将两种立体单元进行串联,设计出能够实现完整跨步行走动作的折纸腿及步行机器人,并实现了机器人的行走仿真实验及跨越阶梯实验,得到折纸腿在跨越阶梯时的最大裕度,验证了两种变刚度单元在行走、跨步过程中的特殊性能。

基于空间闭链连杆机构的可折展手爪设计

为了解决多关节手指和手爪多为刚性连接而运动范围有限等问题,课题组基于单自由度面对称Bricard空间闭链连杆机构,提出了一种手指单关节驱动机构。将多个单关节驱动机构串联,组合为一个单自由度的多关节手指驱动机构;进一步,通过课题组提出的单自由度同步驱动副,可同步驱动手爪中的3根多关节手指同步开合、抓取目标物体;在进行可折展手爪的运动学分析和参数求解之后,完成了可折展手爪的样机实验。验证结果表明提出的可折展手爪驱动机构设计合理、抓取性能可靠。