可重构变刚度柔性驱动器的设计与性能分析

柔性驱动器因其固有的柔顺特性,能够实现机器人与人之间的安全交互,且具有较强的环境适应能力。为满足外骨骼机器人对关节柔性及变刚度特性的要求,设计了一种具有可重构性的变刚度柔性驱动器,可通过改变弹性元件的几何参数、材料和数量来实现重构,通过径向调节预紧力来实现可调范围内的变刚度。首先,运用零长度机架四杆机构的传动原理,建立了变刚度柔性驱动器的刚度数学模型,分析了柔性分支数和弹性元件刚度、预紧力对驱动器输出扭矩和刚度的影响规律。然后,建立了驱动器的ADAMS虚拟样机模型,并开展静力学性能仿真分析,验证了刚度数学模型的正确性。最后,建立了驱动器的动力学模型,通过Laplace变换得到了动力学系统的传递函数。频率特性分析结果表明,该柔性驱动器的稳定性良好。所设计的柔性驱动器体积小且质量小,能够在可穿戴外骨骼机器人驱动机构中应用。研究结果为机器人柔性驱动关节的设计提供了理论和技术参考。

气动多向柔性驱动器形变与驱动特性

设计一种片状约束环套装5个密封弹性腔体和弹簧的气动多向柔性驱动器,分析驱动器受力和力矩,建立气压与轴向伸长量、驱动力、弯曲方向的非线性理论模型.通过试验与理论模型对比,获得驱动器在不同气压下的形变与驱动性能关系.结果表明:通过控制通入气体压力,可以控制驱动器产生不同程度的形变与驱动力;气压越大,形变与驱动力越大;该驱动器具有较高的灵活性和良好的驱动性能,改变通气方式,驱动器可以完成轴向伸长和空间多个方向的弯曲变形;0.23 MPa气压下驱动器轴向伸长量为137 mm,伸长率超过100%,弯曲角度达225°,轴向驱动力为242 N,弯曲夹持力为169 N.

基于积分鲁棒控制策略的气动柔性驱动器轨迹跟踪研究

软体机器人由于其固有的轻量性和柔顺性,在各个领域受到越来越多的关注,具有广阔的应用前景。另一方面,它具有复杂的结构和非线性特性,给系统建模和控制器设计带来了困难。综合比例阀模型和柔性驱动器的辨识模型,得出总体系统控制模型,设计可实现高精度跟踪的积分鲁棒控制器。通过对柔性驱动器进行轨迹跟踪的对比实验,验证了模型和控制策略的有效性。

一种柔性驱动器及自适应夹爪设计与研究

针对现有夹取机构在夹取柔软、易变形、外形结构复杂的物体时无法稳固夹取、精准控制率低、适应性差甚至损坏物体等问题,设计了一种柔性驱动器及自适应夹爪。在刚性夹爪上设置柔性驱动器,在柔性驱动器的外壳内设置气囊,通过调节气囊内的气压控制柔性驱动器的夹持力度;在传动装置中利用蜗轮蜗杆结构的反向自锁特性保证夹持不松动;采用压力传感器实现最优工作模式的选择与切换,以适应刚性和柔性物体的夹取。该抓取机构可自动适应抓取力大小并具备自锁功能,结构简单、适用场合广泛,具有较大的市场推广价值。

基于气动柔性驱动器的苹果采摘末端执行器研究

设计了一种基于气动柔性驱动器的苹果采摘末端执行器:以气动柔性驱动器作为其弯曲关节,用力学分析的方法对弯曲关节及末端执行器进行建模,分析建立关节弯曲量及输出力与其内腔气体压力之间的数学关系;建立了末端执行器抓取苹果目标的数学模型。实验结果表明:该末端执行器有较大的输出力,能很好地抓持苹果,并具有很好的柔顺性。

气动柔性驱动器及其在灵巧手中的应用研究综述

介绍了几种典型的气动柔性驱动器——McKibben型PMA、三自由度FMA、旋转型气动柔性驱动器、柔性流体驱动器和新型气动柔性驱动器FPA的研究现状,并对这5种气动柔性驱动器进行了深入的分析讨论,指出它们各自的优点和不足之处。综述了应用典型气动柔性驱动器研制的几种气动柔性灵巧手,分析了各灵巧手的特点;结合上述几种气动柔性灵巧手,对目前该领域研究中存在的急需解决的关键性问题进行了总结分析。

基于气动柔性驱动器的球果采摘末端抓持器

为实现球果的安全、可靠采摘,基于气动柔性驱动器(FPA)设计了球果采摘末端执行器,主要由3个FPA驱动的手指和基座构成。建立了手指指端在基座坐标系内的运动学方程,分析了末端抓持器在任意姿态下进行球果抓握的力学过程,建立了球果抓持数学模型。实验结果表明,所设计的球果采摘末端执行器可对成熟球果进行任意姿态的抓握,建立的数学模型可用于实际的采摘过程控制。

基于气动柔性驱动器的弯曲关节的基本特性研究

基于气动柔性驱动器(FPA)研制了一种弯曲关节,该关节可用于机器人多指灵巧手设计。向FPA内腔中充入不同压力的压缩气体,弯曲关节可以实现不同的转角。对关节进行了力平衡分析,分别建立了关节的转角和输出力静态模型。对弯曲关节进行了静态特性测试实验,实验结果与仿真结果基本吻合。弯曲关节动态特性实验表明:关节转角开环阶跃响应时间大约1s,关节输出力的开环阶跃响应时间大约0.5s;采用前馈补偿及PI反馈控制可使关节转角实现精确控制。

柔性驱动对旋转冲击运动的控制

对旋转机械,用柔性联接驱动代替刚性联接驱动。建立了旋转系统运动与柔性联轴器参数的关系。通过对柔性联轴器扭转响应和旋转系统扭转冲击响应的计算分析,发现旋转系统冲击角加速度随柔性联轴器阻尼的增大而减小,随柔性联轴器扭转刚度的减小而减小。说明在旋转系统其他参数不变的情况下,可通过调整柔性连轴器的扭转刚度和阻尼达到对旋转系统冲击运动的控制。

下肢外骨骼机器人踝关节混合柔性驱动设计与研究

为了提高人机交互的安全性、舒适性以及对复杂非结构化环境的适应能力,设计了一种基于串联弹性驱动和刚性驱动混合的新型下肢外骨骼机器人踝关节。在电机与外骨骼机器人负载之间引入线性弹簧组以实现柔性驱动,对机器人脚部触地等冲击起到缓冲减振作用。设计了碟刹装置实现刚性驱动功能,以快速精确的响应人踝关节的摆动,避免人机运动偏差。建立了踝关节的动力学模型,通过频域特性分析方法得到了踝关节在不同参数特性下的稳定性以及力跟随特性。仿真实验验证了外骨骼机器人踝关节在受到冲击时的缓冲减振特性,并且验证了模型的准确性和有效性。

柔性驱动对转子碰摩运动特性的影响

建立了柔性驱动转子系统的动力学方程,通过求解方程得到了柔性驱动器的扭转响应和转子与定子碰摩后的冲击角加速度响应。讨论分析了柔性驱动在控制转子碰摩运动中的作用,发现转子的冲击角加速度随柔性驱动器扭转刚度的增大而增大,随柔性驱动器扭转刚度的减小而减小,说明在转子系统其他参数不变的情况下, 可通过调整柔性驱动器的扭转刚度以达到提高转子运动稳定性的目的。

充气伸长型气动柔性驱动器刚度特性

为实现充气伸长型气动柔性驱动器的变刚度控制,对其输出力模型进行改进,建立气动柔性驱动器的静态刚度和动态刚度数学模型,指出气动柔性驱动器的动态刚度为静态刚度与气压刚度之和.试验和仿真研究结果表明:供气压力是影响充气伸长型气动柔性驱动器静态刚度和动态刚度的主要因素,静态刚度和动态刚度均随供气压力的增大而增大,且呈现较好的线性关系.

游梁式抽油机椭圆速率柔性驱动及抽油杆疲劳寿命分析

游梁式抽油机椭圆速率驱动是一种基于变频器技术,将曲柄旋转运动规律由圆速率变为椭圆速率的柔性控制方案。依据椭圆速率驱动原理,求解了其曲柄随转角变化的解析式。在已知椭圆长、短轴前提下,便可求得目标曲线,进而反推出电机运动规律,为现场生产提供指导。对游梁式抽油机系统进行了室内台架测试,测得了2种驱动下曲柄角速度、悬点及泵前绳段载荷。以CYJT8-3-26HY型抽油机为例,使用Soliderworks软件,对圆速率、椭圆速率驱动下悬点运动规律进行运动学分析。以运动学分析结果作为边界条件,使用Ansys软件,对比分析了圆速率驱动、椭圆速率驱动对抽油杆疲劳性能的影响。分析发现,将圆速率驱动改变为椭圆速率驱动,对抽油杆柱疲劳性能有改善。

面向人机交互的机器人变刚度柔性驱动器设计与分析

针对传统的高刚性机器人已无法满足人机交互安全性和复杂环境自适应性的不足之处,利用磁流变液的磁流变效应,提出并设计了一种新型的用于机器人关节的变刚度柔性驱动器。详述了柔性关节驱动原理,设计了驱动器的结构并进行力学分析,同时利用磁场仿真软件Maxwell进行驱动器的磁场分析。最后对驱动器性能进行仿真分析和实验验证,对比分析结果表明该驱动器具有结构简单、易于控制、更宽的主动变刚度调节范围的特点,并且能够吸收振动或者冲击带来的能量,提高了机器人的关节输出能力。

基于气动柔性驱动器的三自由度手指指端输出力特牲研究

三自由度手指由3个气动柔性弯曲关节串联而成,弯曲关节由气动柔性驱动器(FPA)驱动。关节驱动力矩的大小取决于各个关节FPA内腔中的压缩气体压力的大小。推导了手指运动学方程及力雅可比矩阵,分析了手指指端受力状况,建立了指端输出力与各个内腔气体压力增值之间的映射关系。对手指指端输出力进行了仿真研究和实验研究,实验结果与力模型结果基本吻合。

基于柔性驱动模块的机器人灵巧手设计与试验

现有仿人机器人灵巧手往往缺少柔顺性和灵活性,针对这一问题,提出一种基于柔性驱动模块的机器人灵巧手结构。手指采用绳和连杆的混合传动形式,并设计与人手相仿的整手结构;设计的柔性驱动模块采用弹性卷筒式结构,卷绕绳的空载线速度接近35 mm/s,最大输出拉力可达15 N,具有空载速度快、有负载时柔性加载的特点,且具有绳张力检测功能,利用ANSYS Workbench对弹性元件进行结构静刚度分析与参数优化设计;参考人手指生理耦合关系,对手指连杆耦合机构进行优化设计。样机试验表明,所设计的机器人灵巧手可实现与人相仿的手势,并能完成对不同形状和大小的物品的稳定抓握和指尖抓取。手指最短收缩时间仅0.6 s,具有较快的运动速度。

一种新型柔性驱动器的制备和性能研究

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种新型的柔性驱动器。传统的IPMC都是采用昂贵的铂做表面电极。为了降低铂微粒的高度密集引入的大表面电阻,采用渗透还原法,提出基于无电镀银制备表面电极的方法。通过对所制备的银基IPMC的微观形貌、致动效果以及表面电阻等的测试实验表明,金属银在离子交换膜Nafion 117内部呈梯度分布,在1.5V驱动电压下可以产生90°的弯曲变形。银基IPMC表面电阻较小,在一定时间内稳定。

基于气动柔性驱动器的手腕运动康复装置

针对传统的手腕康复训练器存在柔性不足,结构复杂,成本高昂等问题,基于一种可产生弯曲变形的气动柔性驱动器,设计出一种手腕运动康复装置。阐述了气动柔性驱动器和手腕康复装置的设计与制作方法,实验结果表明该手腕康复装置能有效地驱动手腕做运动康复训练,并具有很好的柔性。

面向无损采摘的腔室化气动柔性驱动器研制

为实现对易损果蔬的无损采摘及提高采摘效率,该研究在捕蝇草叶片的启发下,以硅胶作为本体材料,采用气体驱动,提出腔室化设计思路,设计并制作气动柔性驱动器。通过有限元仿真和实验验证方法探究驱动器的可行性和可靠性,验证驱动器在稳定抓取和无损采摘领域的应用,实现驱动器对于不同形状物体的稳定抓取和对草莓和花生柿子易损果蔬的采摘。研究表明,腔室化设计的气动柔性驱动器能够在0.3 kPa的气压激励和3 L/min的流速下,3 s内完成2个维度的弯曲变形,可以实现对目标物的包裹或者半包裹式抓取,能够完成对于不同形状大小的物体自适应抓取和对采摘目标的无损采摘。此研究表明研制的软体机械手和驱动器可以在一定程度上解放劳动力、提高生产效率以及保证果蔬品质。

基于LabWindows/CVI的柔性驱动器软件系统实现

为实时监测和控制柔性驱动器物理试验装置,利用LabWindows/CVI作为软件平台开发设计了集系统参数配置、控制模式选择、指令控制、实时监控、数据显示和保存于一体的上位机柔性驱动器控制系统软件。采用循环冗余校验算法,设计了与下位机DSP的命令和数据双向传输通信协议以提高系统的可靠性;利用动态数据交换(DDE)技术,实现了采集数据的实时随机存储和指令控制。研究结果表明,数据溢出丢失时,系统利用循环冗余校验算法检测报错,提高了数据和命令双向传输的可靠性;软件系统实现了不同采样频率下的数据动态显示和存储,满足了研究不同控制算法动态性能和系统响应分析的需要,实现了直观有效地监测柔性驱动器工作状态,为柔性驱动器的性能分析和控制算法研究提供了方便、良好的人机交互环境。