气动柔性五自由度手指运动分析及控制

基于气动柔性驱动器,设计了气动柔性五自由度手指,并介绍了其结构原理。分析建立了五自由度手指的运动学方程,并采用遗传算法解决了该五自由度手指逆运动学中的冗余解问题。基于神经网络设计了手指控制器,并进行了手指指尖轨迹跟踪实验。实验结果表明,手指指尖的运动实验曲线与理论曲线比较接近,说明采用遗传算法及神经网络控制能够实现对五自由度手指的较精确实时控制。

气动柔性扭转关节静态模型

基于气动柔性驱动器(Flexible pneumatic actuator,FPA)研制一种气动柔性扭转关节,该关节主要由两个弧形的FPA组成,向这两个FPA充入压缩气体,关节转过一定的角度。分析扭转关节中FPA壁厚变化规律,对单个FPA的自由端进行力矩平衡分析,建立该关节的静态模型,构建试验系统对气动柔性扭转关节进行压力转角关系试验。试验结果与仿真曲线存在一定误差,分析影响扭转关节静态模型准确性的因素,并根据试验结果对扭转关节的数学模型进行修正,得到的修正模型能够较好地描述关节的充气过程和放气过程。

气动柔性灵巧手输出力控制技术

阐述了一种气动柔性驱动器(FPA),及采用FPA驱动的气动柔性灵巧手(ZJUT Hand)。以ZJUTHand为研究对象,基于微分运动学理论,建立其手指的静力学模型,完成了手指静力跟踪的半闭环控制实验,验证了ZJUT Hand手指便于控制输出力的特点;基于指尖五维力传感器,提出了一种模糊自适应指尖力动态跟踪控制策略,完成了手指指尖力动态跟踪实验,结果表明:该控制策略能够在未知环境下,实现对手指指尖力快速、精确的动态跟踪,响应时间约为1 s,跟踪误差稳定在±0.15 N内。

西湖大学与上海交大联合团队研发轻质气动柔性机器人

西湖大学工学院相关团队联合上海交通大学相关团队研发兼具柔顺性与高承载能力的轻质气动柔性机器人。联合团队研发的基于织物的轻质高强度机器人(机械手),通过发挥织物材料柔软且抗拉伸的独特性能,突破了现有基于硅橡胶制做柔性机器人的思维惯性。

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。

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。

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。

气动柔性扭转关节动态特性研究

基于力矩平衡原理建立了气动柔性扭转关节的基本动力学模型,基于绝热气体能量守恒方程建立了扭转关节FPA的充放气动态模型。分析了FPA初始壁厚、FPA平均半径、FPA初始角度、管接头出口面积等参数对扭转关节动态特性的影响。仿真结果表明:FPA初始壁厚、平均半径和初始角度对扭转关节转角和动态过程的影响较大,管接头出口面积对扭转关节转角和动态过程没有影响。实验结果与仿真分析基本吻合,表明建立的气动柔性扭转关节模型能够准确地描述其动态过程及特性。

气动柔性球关节的模糊PID控制

介绍了新型气动柔性球关节,讨论了其控制方法。综合模糊控制和 PID控制的特点,设计了针对气动柔性球关节的模糊 PID控制器,实现对球关节弯曲角度、偏转方向等系统参数的动态控制。实验结果表明,模糊 PID 控制可以实时准确地对气动柔性球关节进行控制,设计的控制系统可以作为气动柔性球关节的有效控制系统,用于进行相关研究。

气动柔性摆动关节静态模型

提出了一种基于气动柔性驱动器(FPA)的摆动关节,该关节由左、右两个对称分布的弧形FPA并联而成,弧形FPA两个活动端与摆动关节的动平台固定连接,动平台可以绕着转动副摆动。改变两个弧形FPA的内腔气压,驱动左、右弧形FPA输出不同大小的转动角度,从而实现该关节的摆动运动。基于力矩平衡原理建立了摆动关节的静态模型,仿真分析表明摆动关节的转动角度与弧形FPA内腔气体压力基本呈线性关系,并且转动角度随初始角度、FPA平均半径、预拉伸角度的增大而增大,随FPA壁厚的增大而减小。实验结果表明所建立的数学模型能够描述摆动关节的静态特性。

一种组合式气动柔性机械手设计

介绍了气动机械手的产生、优势和发展现状,提出了新颖的组合式气动柔性机械手的设计方案,分析了方案的特点和优势。针对单个的组合式气动柔性手指的具体设计,进行了有限元分析,并详细介绍了具体的制作过程、步骤和多样性的动作控制方式。重点阐述了2种可自由组合的多用途气动柔性机械手的结构和具体的实际应用,最大限度的扩展了气动柔性机械手的功能和使用场合,为气动柔性机械手的设计、制造、应用等提供了新的方法和思路。

基于FPA的气动柔性手指康复器及其控制系统

针对现有手指康复器在柔顺性、适用性和安全性方面存在的不足,基于气动柔性驱动器(FPA)设计了一种气动柔性手指康复器,以采用压缩气体驱动并以橡胶材料为主体设计的基于FPA的柔性弯曲关节代替传统的纯机械式结构。根据手指康复器仿生康复的任务要求,设计具有三大模块的控制系统:模式识别模块负责通过采集和分析手指表面肌电信号(sEMG)对主体的动作意图进行识别,并生成康复运动训练方案;角度反馈模块采用AS5045芯片实时检测康复器运动状态并将数据信息反馈至主控制器;主控制模块控制上述训练方案和康复器运动状态实时反馈信号以驱动康复器完成运动训练。实验结果表明,康复器两个关节弯曲期望值为15°和30°时的稳态误差小于0.6°,提出的控制系统能很好地完成sEMG的识别、康复器运动信息检测与反馈和康复训练任务,证明了手指康复器及其控制系统是可行的、有效的。

基于FPGA的气动柔性手指的神经网络控制器设计

研究了气动柔性手指智能控制策略的硬件实现,设计了气动柔性手指的神经网络控制器。气动柔性手指神经网络控制器是在已经对气动柔性手指进行运动学和动力学分析的前提下,使用MATLAB对神经网络进行试训,依据训练所得的权值和阈值,在现场可编程门阵列集成环境下,基于超高速集成电路硬件描述语言完成的。该控制器适用于具有复杂智能控制策略且对实时性要求高的多手指控制系统。

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.

3自由度气动柔性手指包络抓持力模型研究

提出了一种基于气动柔性驱动器的3个自由度手指指节法向力可控的包络抓持模型。分析了目标物体受力状况,按照手指指节与目标物体之间的各个接触力尽量均匀的原则,对目标物体受力进行了优化。建立了关于手指指节接触点所受到的法向力及摩擦力与关节驱动器输出力之间的力学模型。使用2个触力传感器,应用杠杆原理建立了接触点法向力及其作用点的测量模型。提出了指节接触点法向力的双闭环控制策略,设置了补偿器对摩擦力进行实时补偿,对压力反馈信号进行微分处理,用以消除压力检测信号中所包含的高频噪声。搭建了试验平台,试验结果表明:手指法向力动态响应时间为约1 s,误差范围稳定在±0.5 N。

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。

非完全对称气动柔性弯曲关节力学特性实验

为改进柔性机器人驱动器结构及数学模型,提出了一种非完全对称气动柔性弯曲关节及其数学模型。为了实现其实时闭环控制系统,进一步简化了原有数学模型,并对其力学特性进行了实验研究。搭建了力学特性实验平台,并对两种不同规格(长度分别为40、60 mm)的关节进行了测试。采用Matlab曲线及曲面工具箱对测试结果进行分析,得到了新型气动柔性弯曲关节的经验模型。该经验模型表明气动柔性弯曲关节的弯曲角度与初始长度、关节内外气压差、输出力之间存在非线性关系。与简化的数学模型比较,该经验模型具有更高的精度,其中输出角度模型相对误差平均值小于6.7%,输出力模型相对误差平均值小于2%。同时,该经验模型纠正了原有数学模型中,认为关节初始长度与弯曲角呈正比的错误结论。

气动柔性球关节的位姿测量系统研究

基于新型气动人工肌肉提出了一种气动柔性球关节,介绍了气动柔性球关节的结构原理;重点讨论了针对该球关节的位姿测量系统原理及位姿计算方法;给出了实验结果并进行分析,表明设计的位姿测量系统是准确适用的。

气动柔性关节工作特性分析

本文介绍了气动柔性关节的结构和工作原理,该关节利用气压驱动实现轴向伸长和弯曲变形.对关节进行了力(矩)平衡分析,建立了压力与关节伸长和端面转角之间的数学关系.搭建了试验系统,对关节进行了压力与伸长量及转角的关系实验.引入了修正系数,修正好的模型能较好的反映关节的运动过程.