长臂式仿生软体机器人及其主动弯曲模型

针对软体机器人结构化分析困难的问题,对软体机器人气腔耦合结构、嵌入式加强材料以及充气状态下的弯曲变形等方面进行了研究,提出了一种新型的长臂式仿生软体机器人结构,该结构为多腔、多节耦合,可以实现任意方向的大范围弯曲。通过力矩平衡方程建立了长臂式仿生软体机器人的静态模型及主动弯曲数学模型,并实现了基节的各个力矩的数值化近似求解。采用上、下位机控制思想,基于ITV气压比例阀搭建了实验平台并设计、制作了软体机器人样机进行测试。研究结果表明,弯曲运动实验结果与仿真曲线基本一致,由此验证了理论模型的正确性。

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。

软体仿生机械手柔性触觉感知技术研究进展

柔性触觉感知信息获取是软体仿生机械手自主操纵的关键反馈环节,它提供了关于仿生机械手和物体接触点的相互作用力和表面特性的信息。从敏感材料、结构设计、制备方法到信号获取分析等方面,应用于软体机械手的柔性触觉感知方法近年来取得了一定进展,但是存在若干问题限制了技术的应用发展。为此,梳理了软体仿生机械手柔性触觉感知的概念与内涵,分析了相关的重要参数和设计原则,汇总分类讨论了不同结构的柔性触觉传感器的设计思想及其性能和应用,最后对软体仿生机械手柔性触觉传感器的发展前景提出了展望与思考。

多向气动驱动器软体仿生舌弯曲状态的研究

以软体仿生舌为研究对象,针对多向驱动器的变形机理,开展了面向软体仿生舌的单/多向驱动器的弯曲特性研究。首先,设计了气动驱动软体仿生舌,其在单/多向驱动器的作用下可实现吐舌、翻舌、卷舌以及斜翻舌等动作;其次,为进一步研究驱动器的变形机理,开展了针对单/多向驱动器的结构及变形工作原理的研究;然后,基于Yeoh模型应变能密度函数,结合力平衡方程,建立了驱动压强和驱动器弯曲变形后曲率半径的非线性数学模型;最后,为验证理论模型的正确性,开展了软体仿生舌的仿真研究及相关实验验证,结果证明了理论模型的正确性。上述研究为其他基于气动驱动的软体结构变形机理的研究提供了理论基础。

软体机器人:结构、驱动、传感与控制

软体机器人由软材料加工而成,自身可连续变形,与刚性机器人相比具有更高的柔顺性、安全性和适应性,在人机交互、复杂易碎品抓持和狭小空间作业等方面具有不可比拟的优势。综述软体机器人的发展历程,将软体机器人归为传统绳索驱动/气动肌肉机器人、超弹性材料软体机器人和智能材料软体机器人三大类。从仿生结构和仿生运动、驱动与加工、传感与控制三个方面对软体机器人的相关科学问题以及存在的技术难点进行总结与分析。分析了软体机器人在仿生结构、抓持作业和医疗康复等领域潜在的应用价值。对软体机器人目前的发展现状和存在的关键科学难点进行了系统的总结,并得出刚柔耦合、可变刚度和驱动传感控制一体化等研究方向可能是未来软体机器人研究新的突破点。

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。

全软体动物运动控制对仿生机器人设计的启发

如何实现灵活准确的运动控制是仿生软体机器人研究中的一个重要难题.但对全软体动物而言,经过长期进化选择,其神经系统运动控制功能和骨骼肌肉系统的运动执行功能之间的优越配合,可以产生灵活多样、收放自如的运动,且具有良好的环境适应性.因此,对软体动物的运动控制机制进行深度仿生研究可以为提升软体机器人的性能提供新的思路.本文选择水母、水蛭、线虫、果蝇幼虫等无脊椎全软体动物作为分析对象,介绍其运动行为的神经肌肉基础,并结合相关神经力学模型介绍全软体动物运动神经控制机制的特性.通过对比不同的仿生机器人与全软体动物原型,提出了借鉴神经力学模型对仿生机器人设计进行改进的思路.最后,分析了现有全软体动物运动的神经力学模型的不足,提出了系统性研究全软体动物运动控制机制和神经力学建模的思路,并展望了软体机器人进行运动控制仿生的方式以及高性能软体机器人的潜在应用场景.