华北地区设施膜面软体集雨水窖水肥一体化技术可行性分析

选取2000、2010、2011年的数据,以华北地区周年番茄、周年辣椒、辣椒-番茄轮作3种设施农业典型种植模式为研究对象,采用设施膜面集雨软体水窖结合水肥一体化技术,研究其可行性,以期为华北地区提高降雨利用率提供参考依据。结果表明:通过集储水量与作物需水量耦合分析、水质对比分析、工程造价分析,对其技术、经济、生态效益可行性进行分析。3种种植模式下,2000年上半年各月灌溉保障率为22.2%~100.0%,2010年上半年各月灌溉保障率为35.4%~100.0%;下半年各月集储水量均能100%保障灌溉。2010年和2011年灌溉保障率分析结果表明,通过多年连续集雨蓄雨,设施膜面集雨软体水窖水肥一体化技术可实现100%保障灌溉。通过水质分析,集雨水pH、EC值低于地下水,BOD_(5)、COD_(cr)远低于再生水和地表水;相对于传统砖石水泥集雨窖,成本降低50%以上。设施膜面集雨软体水窖水肥一体化技术的应用可以实现华北地区设施农业雨养,极大提高自然降雨利用率,减轻地下水开采压力。

PVC凝胶驱动及CNT/PDMS传感一体化柔性抓手的研究

鉴于目前关于软体机器人的研究大多仅致力于软活性材料的驱动功能,忽视了传感功能,研究一款集驱动与传感一体化的柔性抓手机器人。首先研究PVC凝胶驱动器结构设计与制备工艺,然后研究CNT/PDMS柔性传感结构的制造工艺,在此基础上,以PVC凝胶驱动器作为柔性抓手的驱动单元,以CNT/PDMS立体结构作为柔性抓手的传感单元,设计出一款具有驱动与传感一体化的功能结构,并对该功能结构进行测试。研究结果表明:在施加800 V直流电压下单根手指的弯曲角度可达32.5°;在400 V直流电压驱动下,由两根柔性手指构成的抓手能够抓取直径为15 mm、邵氏硬度分别为10~20、30~50的易变形的硅橡胶圆柱体;在抓取不同硬度的圆柱体时,CNT/PDMS的电阻变化率亦不同,表明CNT/PDMS柔性传感结构可以感知抓取物体的软硬度,证明了本研究关于驱动及传感一体化结构设计的可行性。该研究可为后续软体机器人的设计及制造提供参考。

基于光波导的传感驱动一体化软体康复手

针对刚性手功能康复外骨骼机器人适应性差,存在安全隐患问题,该文设计了基于光波导的传感驱动一体化软体康复手控制系统,用于辅助患者手部的康复。通过顺应性融入自制柔性光纤传感器使手指弯曲角度和气腔内压力的反馈信号更加精准。其次,采用一体化多腔室手指的设计方法,使不同手指不同关节弯曲,其结构简单、易于控制,具有良好的被动柔性。然后,结合柔性光纤传感器对软体康复手进行闭环反馈控制,使手部动作更加灵活。最后,实验结果验证了基于光波导的软体手部康复机器人控制系统整体结构小型化,且柔顺性高,患者穿戴更方便。

基于多腔软体驱动器的柔性手指设计

针对现有软体柔性手指运动自由度少的问题,设计了一款基于气动多腔软体驱动器的柔性手指。基于软体动物的运动特征,对多腔软体驱动器的结构进行了设计;根据虚功原理,建立了软体驱动器的力学模型和柔性手指的位姿方程;利用Abaqus CAE有限元仿真软件对柔性手指进行了力学仿真,得到了柔性手指偏转角度与输入气压的关系曲线;以单向转动软体驱动器为研究对象,通过输入特定气压值来分析其偏转角度与输入气压的关系,并对比了偏转角度—输入气压关系曲线的理论计算、仿真分析和试验结果的差异。试验结果显示,在偏转角度为0°~80°时,单向转动软体驱动器理论计算、仿真分析与实际测得的偏转角度—输入气压曲线的变化趋势基本一致。研究表明,所建立的单向转动软体驱动器力学模型能够较为准确地描述驱动器偏转角度的变化,所建立的手指位姿方程能够根据各关节的偏转角度求得手指各个节点的空间坐标,为手指的运动控制提供了基础。

软体机器人本体材料研究综述

软体机器人采用柔性材料制造,具有高度的柔性、可塑性和适应性,因此在未来的工业制造、医疗、教育和探测任务中具有广泛的应用前景。随着科学技术的迅速发展,软体机器人在本体制作材料方面的研究发生了巨大变化。现有很多研究人员对软体机器人本体制作材料类型进行了深入研究,但是目前对其进行系统性总结的文章还比较缺乏。本文对近年来软体机器人领域的研究成果进行了综述,对不同本体制作材料类型进行了对比总结,并讨论了其应用领域。最后,提出了目前软体机器人的研究还存在的一些问题,指出了软体机器人的发展前景。Soft robots are made of flexible materials and are highly flexible, malleable and adaptable, and thus have a wide range of applications in future industrial manufacturing, medical, educational and exploration tasks. With the rapid development of science and technology, the research of soft robots in terms of body fabrication materials has changed dramatically. Many researchers have conducted in-depth studies on the types of materials used in the production of soft robots, but there is a lack of articles that systematically summarize them. This paper gives an overview of the research results in the field of soft robotics in recent years, summarizes the comparison of different ontology fabrication material types, and discusses their application areas. Finally, it puts forward some problems that still exist in the current research of soft body robots and points out the development prospect of soft body robots.

软体机器人用柔性泵的有限元分析与工艺优化

针对软体机器人用流体驱动器存在性能不理想且制造工艺较为复杂的问题,提出一种利用电液动力学现象的高功率密度柔性泵及其工艺优化方法。该柔性泵由交叉指型电极构成,可根据外加电压的极性来控制流向。提出一个简单的电极配置模型来分析产生的电液动力学现象,并利用有限元分析来优化电极之间的距离,以最大化单位长度产生的压力和流速。通过在电极制作过程中引入切割绘图机,并采用粘接弹性体实现了可靠、高效的制造工艺。研究结果表明:当电极之间的距离最佳比值为3.4时,单位能耗产生的压力达到最大值为118.6 kPa/W,流速为145 mL/min。此外,相同配置制备泵之间的压力误差和流速误差分别为3.4%和4.4%,验证了电极配置模型的有效性和制造工艺的可靠性。与其他流体泵相比,该泵表现出更高的性能,且即使发生弯曲也可正常工作,在可穿戴设备和软体机器人中具有较高的工程应用价值。

用于人机一体化广义优化技术的多智能体系统

分析了人机一体化广义优化技术的需求引入了多智能体系方案，研究了系统的整体结构和阐凶的上层结构，提出了柔性装配系统优化设计的一个实施方案。

液晶弹性体软体驱动器的研究进展

液晶弹性体智能材料由于其可逆性、灵活性、优越的环境适应和多功能性等特点,目前从基础科学到技术应用等方面的研究受到广泛关注。本文主要综述了本课题组近年从液晶弹性体薄膜到纤维软体驱动器的设计制备及其在人工肌肉、软体机器人和智能纺织品等相关领域的最新研究进展。揭示了液晶弹性体纤维复合软体驱动器的基本设计和合成策略;阐明了它们的独特属性、驱动机制和潜在应用;最后,总结了基于液晶弹性体软体驱动器在材料和化学科学中的机遇和挑战。本文将为液晶弹性体智能驱动材料在软机器人、柔性电子、先进能源和智能穿戴等领域的发展提供新见解,并促进纳米科学、合成化学、材料科学和器件集成等交叉学科的快速发展。

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。

科研人员开发出物理智能控制的新型软体机器人

美国北卡罗来纳州立大学研究人员设计了一种新的软体机器人,它可同时进行3种行为:向前滚动、像唱片一样旋转,以及沿着围绕中心点运行的路径移动。该设备无需人工或计算机控制即可运行,有望开发可用于导航和绘制未知环境的柔性机器人设备。2024年1月8日,该研究论文发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

液态金属柔性感知的人机交互软体机械手

利用3D打印技术制作了基于液态金属微流道的应变传感器和弯曲传感器,并将应变传感器集成至人体传感手套,用于人手的手势检测;将弯曲传感器集成至软体机械手,用作软体机械手的姿势及运动控制,通过传感手套控制软体机械手实现了人机交互。实验证明传感手套不仅能控制软体机械手的姿势,还能精确控制每根软体手指的弯曲程度。

服装用软体人台及柔性材料研究进展

本文介绍了国内外服装用软体人台的研究现状,分析了软体人体柔性材料的特性要求,综述了硅橡胶、聚氨酯在柔性材料上的应用,为今后服装软体人台的研发提供了一定的指导意义。

柔性软体机械手的设计及变形研究

针对目前柔性软体机械手国内外研究现状,总结了其关键技术难题与不足。以柔性软体机械手为研究对象,设计并验证了柔性软体机械手的弯曲变形特性及压力响应特性。首先设计了柔性软体机械手结构,由单向弯曲驱动器、滑移平板以及连接装置组成,建立了柔性软体机械手指理论数学模型;其次利用有限元分析软件ABAQUS基于Yeoh模型建立了柔性软体机械手指硅胶材料的本构模型;同时,利用3D打印技术制备带有腔体的单向弯曲驱动器的浇注模具,注入混合好的液态硅胶,获得硅胶材料的柔性软体机械手指;最后开展了单向弯曲驱动器弯曲变形仿真及实验,验证了柔性软体机械手指的弯曲变形特性及压力响应特性,并验证了理论数学模型的准确性。

基于仿章鱼软体机器人空间碎片柔性自适应捕获装置的设想

针对空间碎片跨尺度、柔性、自适应捕获的需求,根据任务功能分析及仿生学启示,提出了一种基于仿章鱼充气软体机器人的碎片捕获装置,主要由仿章鱼触手和伸展臂组成,具备远距离可达、末端位姿调整、跨尺度碎片抓捕、目标碎片的测量与识别等能力。捕获装置采用仿章鱼单支链捕获及多支链协同缠绕的方式实现对跨尺度目标的可靠、灵活捕获。捕获触手采用充气软体机器人的机理实现对非结构化碎片的可靠捕获、相容,可实现捕获过程中对碰撞冲击的减缓和能量吸收。伸展臂采用充气驱动的方式展开,具有轻质、大收缩比的特点。触手表面还采用仿壁虎脚趾刚毛实现对碎片的可靠粘附,进一步确保抓取的可靠性。最后通过任务仿真验证了碎片柔性自适应捕获装置的可行性和先进性。

柔性飞网拦截刚性弹体的性能分析

提出了一种用柔性金属飞网拦截来袭导弹的新方法,对柔性飞网拦截刚性弹体的性能进行了仿真模拟,分析来袭导弹弹头所受荷载的变化及荷载随弹体初速度、钢丝绳直径、弹体攻角、弹体质量、网孔边长等多个指标的变化关系。在设定参数下判断弹头所受荷载是否达到弹头引信触发的条件。设计了柔性飞网静态地面拦截原理实验,与数学模型仿真结果对比,验证了拦截效果,拦截过程中产生的过载达到弹体的诱爆条件,可实现对刚性弹体的有效拦截。

一种抓取软体塑料环的刚性机械手爪结构设计

文章对机械手爪的抓取对象及其作业环境做出技术分析,以目标需求为导向,创造性、针对性地进行结构设计,完成了手爪横移装置、升降装置、开合装置的详细设计,使机械手爪在自动化控制系统控制下顺利实现对软体塑料环的抓取及精准套环等功能。

软体机械手研究综述

软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性,软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点,受到国内外学者和机构的广泛研究,并表现出良好的应用前景。综述了软体机械手的应用领域、驱动方式、材料与制造、建模与控制的相关问题,并梳理了软体机械手研究中依旧存在的问题和可能的解决方案以及软体机械手的发展趋势。软体机械手是软体机器人领域的一个重要分支,其研究涉及材料学、力学、化学、机械设计与制造、电子与控制科学以及仿生学等诸多领域的交叉和融合。对软体机械手的研究将极大丰富人们对柔性材料的复杂、丰富特性的理解,也将为更好地把柔性材料融入产品的设计提供理论和技术指导。

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。

软体机器人的驱动器及制作方法研究综述

软体机器人是一种由软体材料制成的新型机器人,具有结构柔顺度高、环境适应性好、功能类型多样等优点,在康复、探测、救援等领域都具有广阔的应用前景。文中首先介绍了软体机器人的总体研究情况,包括软体机器人的发展过程及其结构类型;其次,介绍了软体驱动器的类型和制作方法,包括气动驱动、SMA驱动、IPMC驱动、DE驱动、响应水凝胶驱动、化学反应驱动、活体细胞驱动;再次,介绍了软体机器人的整体制作方法;最后,分析了软体机器人制作方法方面的缺点,并得出未来软体机器人的制作会向多功能化、高集成化、微型化等方向发展的结论。

面向手功能康复训练的软体机器人设计

为解决现阶段软体机器人与人手贴合较差、自由度不够、驱动力小等问题,设计了一种带有双向弯曲模块和伸长模块、可实现多个自由度独立或耦合运动的软体机器人。利用有限元仿真分析方法建立了软体驱动器模型,融合多种柔性材料,保证驱动器可以提供足够大的驱动力。利用传感器实现了对弯曲特性的跟踪。实验验证表明:该软体机器人可以完成抓握训练、手势训练等,满足患者不同康复阶段的训练要求,指尖力可达到5.1 N,可对患者日常的手部康复训练运动起到辅助作用。