一种可用于识别弯曲形状、压力和物体尺寸的自感知软体执行器的设计与研究

气动软体执行器已被广泛应用于无损抓取、康复治疗和人机交互等领域。软体执行器在运行过程中感知其压力和弯曲形状非常重要。然而,除了机器视觉之外,它们很少有其他有效的方式来感知自身状态。本文提出了一种集成了弯曲和压力传感器的气动软体执行器,用于机器人的形状和压力感知。这些可伸缩传感器由Ecoflex00-50/MWCNTs(MWCNTs)复合材料组成,并嵌入在执行器表面的通道中。实验结果显示,弯曲和压力传感器不仅可以分别测量弯曲形状和压力,而且还可以结合使用,在正压和负压下测量弯曲变化,以及在抓取过程中的变形。

锯齿状气动软体执行器设计与分析

提出一种由3D打印技术和硅胶浇筑技术相结合的锯齿状气动软体执行器,对执行器的弯曲角度与气压的关系进行数学建模,通过单轴拉伸实验对材料参数进行测定,利用ABAQUS软件对影响执行器弯曲性能的因素进行有限元仿真,并对不同因素参数组合下的执行器弯曲位姿和运动区域进行分析,从而获得各因素综合作用下的最佳参数组合。搭建实验平台,对最佳参数下的执行器弯曲角度和运动区域进行实验测定,验证了建模的准确性。

自供气无缆式软体执行器设计与实验

为摆脱缆线束缚设计一种自供气无缆式软体执行器,将柱塞式微型气泵集成于软体驱动器内部,无需外界气源供入,可往复循环供气驱使驱动器弯曲变形。研究无缆式驱动器结构设计与制作工艺并试制了原理样机,建立微泵气压模型和驱动器变形模型并进行相关实验验证,获得微泵动态性能及驱动器在微型气泵供压下的弯曲变形规律。结果表明:该执行器可实现无缆、独立、自主弯曲变形,在微泵022 MPa供压下驱动器可弯曲120°。

气动软体执行器设计、制造与控制研究

设计了一种用于抓取的气动软体执行器。通过有限元分析对其变形行为进行了仿真,并在实验中证明了通过变化气压可以使气动软体执行器产生不同的位移,满足不同的作业需求。同时提出了一种利用3D打印模具硅胶成型的方式,以便制造出不同的气动软体执行器。

基于惯性传感器的软体执行器角度与位置控制研究

针对软体执行器的弯曲角度和端点位置特性进行研究,提出了一种基于惯性传感器反馈控制软体执行器的弯曲角度和位置的方法。对惯性传感器数据进行互补滤波融合,得到软体执行器的弯曲角度作为反馈调节高频电磁阀的通断时间实现可控弯曲形变,并通过角度验证位置的空间运动曲线。实验结果表明,该控制方式能够实现软体执行器的角度及位置精确控制。

双向气动软体执行器的设计与分析

设计了由两种尺寸气囊交替连通而成的新型软体执行器,该结构可实现两个方向固定角度摆动.首先建立双向弯曲软体执行器的非线性力学模型,得到形式为三段的分段函数,每一段表示软体执行器在相应阶段的弯曲角度和驱动气压的函数关系.其次,应用仿真软件描绘出软体执行器的摆动角度和驱动气压的线性关系,并与经典软体执行器进行了对比,发现两者不同之处在于未充气侧大小气囊之间挤压的弹性势能.最后,制作了双向固定角度摆动的软体执行器模型,通过实验验证了数值结果的可靠性.结果表明,本文提出的双向弯曲气动网格软体执行器的非线性建模和设计是可行的.

多关节仿手指结构的灵活软体执行器

在目前的研究中心,软体夹持执行器一般采用气动的形式进行控制,具有延展性的优点。在这一特征的改进与提升下,通过模仿人手多关节的特点,开发了一种由多种软复合材料构成的新型软体执行器,通过围绕空腔缠绕的细线施加的环向束缚,提高驱动部分的径向驱动力。因此在保持原有柔软性的前提下,可以通过提高主体部分的弯曲角实现夹持性能的提高。并建立D-H运动学模型,对本结构的位姿进行了较为准确的描述。最后通过实验测量了各关节的弯曲角与机构的夹持性能,证明该结构设计在实际应用中是可被广泛应用的。

基于柔性光波导的水下本体感知软体执行器

水下软体执行器在水下生物采样、文物打捞等作业任务中发挥着重要作用,但其本体感知能力不足。传统的水下感知模块存在易受环境温度影响、抗干扰能力弱、体积大和硬度大等缺点,不适用于软体执行器。为了解决这个问题,本文基于一种对温度和电磁干扰不敏感、响应速度较快、线性度较高的柔性光波导传感器来实现一种波纹管结构软体执行器的本体感知功能。首先,在实验室浅水环境中测试了软体执行器检测物体基本物理属性(表面纹理和硬度)的能力;其次,在实验室模拟静水高压环境中(0~30MPa)初步验证该软体执行器在水下3000m典型作业场景应用的可行性。实验结果证明:在浅水环境中,软体执行器可在驱动压力40kPa下感知幅值为1mm的锯齿波纹表面;当驱动压力大于30kPa时,软体执行器可以明显辨别出本体弯曲状态以及3种不同硬度的物体;在静水压0~30MPa下,柔性光波导传感器可以很好地表征软体执行器的不同弯曲状态;当水压增大时,传感器的迟滞性增大,灵敏度降低。以上实验结果表明基于柔性光波导的本体感知软体执行器具备水下原位感知的功能,且在等效水下3000m作业范围内仍具有较好的感知性能。

基于Koopman双线性的软体执行器模型预测控制研究

为了实现对软体执行器的精确控制,使用了一种基于Koopman双线性的建模及其模型预测控制(MPC)的方法。该方法在获得明确的面向控制的模型的同时避免了传统建模方法物理上的简化假设。为证明Koopman双线模型对于软体执行器的控制方面的优势,建立了软体执行器Koopman双线性模型、Koopman线性模型和状态空间线性模型3种模型并在轨迹跟踪任务中,将3种模型和MPC算法进行结合。仿真和实验结果一致表明,Koopman双线性模型的MPC控制器策略跟踪性能优于同一系统Koopman线性模型的MPC控制器和线性状态空间模型的MPC控制器。

软体末端执行器的研究现状

根据现有研究阐述了软体执行器的驱动、结构、材料与制造等技术的发展现状,介绍了软体执行器在医疗、食品包装、农业采摘领域的应用研究,并指出提高软体执行器的抓取力和可控性是软体执行器基础和应用研究的热点课题。

飞秒激光制备蛋白质智能软体执行器

近年来,由柔软和自适应性强的材料组成的智能软体执行器以其高灵活性、生物兼容性和对高负载的机械弹性等一系列优势引起了人们的广泛关注。在各种制造技术中,飞秒激光双光子聚合技术已被证明是一种强有力的工具,促进了智能执行器支持的功能性微机械的发展。利用飞秒激光双光子聚合技术制备了一种基于蛋白质生物材料的对pH刺激响应的微机械,一步实现了蛋白质材料的三维构型和内部交联网络密度的三维分布,通过切换溶液的pH值实现了生物微机械"手臂"的捕捉和释放动作。这种制备策略在面向生物检测、细胞操控的器件研制方面具有广阔的应用前景。

气撑式软体末端执行器的设计与分析

针对目前多指型软体末端执行器难以平稳夹持不同口径容器的问题,开展了一种能够从内部支撑夹持的气撑式软体末端执行器的设计与分析,提出一种新的夹持方式。首先设计气撑式软体末端执行器的结构,由软体驱动器和连接装置构成;其次基于Yeoh模型、虚功原理和软体驱动器结构建立驱动气压与软体驱动器膨胀变形的非线性数学模型;然后开展软体末端执行器膨胀变形的Abaqus软件仿真及实验,将理论模型和仿真、实验结果进行对比,结果验证理论模型的正确性;最后进行气撑式软体末端执行器的夹持实验,结果表明,所提出的气撑式末端执行器能够很好地抓取不同口径的容器。

一种软体末端执行结构设计与试验分析

设计了一种类似于手指的末端执行器结构,包含3个“关节”,由邵氏硬度为83 A的热塑性弹性体(TPE)3D打印而成。因成型温度等因素对材料结构参数的影响,通过拉伸试验获取应力应变曲线,计算出基于Mooney-Rivlin模型下当前材料参数C_(10)、C_(01),籍此有限元软件仿真分析其弯曲性能,进行弯曲性能试验对比分析有限元仿真结果。搭建试验台架进行抓取试验,有效抓取0~100 g范围内的试验物体。

果蔬采摘刚度增强型软体抓手设计与试验

针对目前软体末端执行器在果蔬采摘领域存在刚度低、指尖力小等问题,在多腔体型软体末端执行器的基础上,提出一种通过对发生层的腔体顶部及两侧增加限制性材料以增大夹持力的方法。建立数学模型分析执行器末端位置与输入气压之间的关系;采用Abaqus软件仿真分析执行器弯曲角度、支反力的变化规律;通过对比试验进行抓取验证。有限元仿真与试验结果表明:发生层限制性材料的增加在不影响执行器弯曲性能的前提下,不仅能很好地减小气球效应,而且能够承载更高的工作压强;弯曲角度和压强一定时,增强型执行器的支反力明显大于传统软体执行器,增强型软体抓手最大抓取重量约为414 g,传统型软体抓手最大抓取重量约为108 g,抓取重量约为传统抓手的4倍。

柔性踝关节康复机器人设计与控制

踝关节是人体中与行走相关的重要关节,而且也是脑卒中患者的各个关节中容易留下后遗症的关节。设计了一种具有软体执行器的柔性踝关节康复机器人,首先,利用硅胶内胆和各种织物设计加工了一种对称的气动软体执行器,并对其运动学和动力学特性进行分析。然后,设计出康复机器人中与人体结合的部分,实现气动软体执行器与人体之间的结合。最后,搭建出一套以Arduino Mega2650作为核心嵌入式平台,以PID控制为主要控制方法的反馈闭环控制系统,来实现踝关节康复机器人的控制。实验结果表明,该踝关节康复机器人能顺利完成对踝关节的辅助康复训练。