光驱动软体致动器的制备及其信息安全应用

为了提高信息安全,防止信息泄露,进一步拓宽柔性器件在信息安全领域的应用,本文报道了一种基于双层膜光驱动软体致动器的新型信息示假隐真技术。首先,将所制得的不同长径比的金纳米棒通过图案遮罩和涂覆的方法,均匀地分散到聚丙烯/聚酰亚胺复合薄膜体系中,制得双层膜光热驱动软体致动器,接着将软体致动器进行选择性剪切。当无外界光刺激时,我们把该双层膜所呈现的信息定义为第一种假信息;当外界相应波长的激发光刺激该软体致动器时,该器件由于发生形变可以展示出另外一种信息,我们定义为第二种假信息;由于不同的金纳米棒在相应波长光激发下才具有最高的光热转化效率,因此通过红外相机所观察到的不同区域的温度呈现出一种新的图案,我们定义为真信息,起到信息示假隐真作用。实验结果表明未接受光照时,软体致动器处于平整状态;在相应波长激光刺激下,被切割部分的软体致动器弯曲角可达到50°以上,裸眼可以清晰地观测所显示信息;而通过红外相机观测到光热区域与非光热区域温度相差至少在10℃以上,可以明显看到所显示的真信息。将软体致动器与信息示假隐真结合在一起,具有新颖性,而且效果明显,为信息安全问题提供了一个新的解决方案。

一种用于康复机器人手指的软体致动器设计

针对手部运动功能障碍的患者康复问题,设计一种用于可穿戴式康复机器人手指的软体致动器。该软体致动器由具集成通道的弹性材料制成,内部为密集分布的三角形非充气腔室和菱形充气腔室,两种不同功能的腔室间隔分布,且充气腔室之间有通道连接。对于该软体致动器设计,首先在ABAQUS中进行变形仿真分析,验证其可行性;然后,采用3D打印技术等制作软体致动器实物并在搭建的实验平台上进行实验。结果表明,设计的软体致动器整体结构合理,可较好地实现手指0～90°弯曲运动,弯曲角度通过气压进行调节,能够满足手指关节运动及韧带拉伸的康复训练需求。

多腔体气动软体致动器的建模与仿真

气动软体致动器在工程领域具有广阔的应用前景,以前主要采用梁、杆等简单模型对其进行整体变形研究,与刚性材料的硬接触不同,如何对软体致动器的软接触建立准确的力学模型并对其整体构型和应力分布进行分析仍是个具有挑战性的难题.本研究针对多腔体气动软体致动器相邻两气腔之间的软接触问题,提出了一种新的建模方法.本力学模型综合考虑气腔结构的复杂性、几何非线性和材料非线性,采用多点接触的面-面接触方法,解决了不考虑接触时相邻两气腔之间的相互穿透问题,适用于大变形柔软体结构的分析.与传统的梁、杆等模型相比,本模型既提高了模拟整体变形的精度,又能够准确描述气腔结构内部的应力分布规律.对多腔体气动软体致动器的仿真结果表明,相邻两气腔之间的软接触对其大变形影响显著.最后,对软体四爪机构抓取圆柱体的整个过程进行了准静态研究,详细阐述了整体构型变化和Mises应力分布情况,结果显示接触区域应力达到最大值.本研究对软体致动器的力学特性分析和优化设计具有一定的理论指导意义.

多气腔软体致动器的弯曲特性分析和试验验证

软体致动器是组成各类软体机器人的基本组成单元,对于软体机器人的应用具有重要的意义,因此设计一种由气压驱动的增强纤维式多气腔软体致动器。运用虚功原理对软体致动器进行力学建模;采用有限元软件进行仿真分析。搭建包含气动回路和控制电路的控制系统;采用单腔驱动,对软体致动器的弯曲性能进行试验;采用BP神经网络对软体致动器的气压和角度的非线性关系进行拟合,拟合误差在1°以内;通过样机试验,证明了理论模型和有限元分析的准确性,为软体机器人的设计提供了理论支持。

基于ABAQUS的气动软体弯曲致动器仿真分析

软体机器人的性能主要取决于致动器,但现有软体机器人致动器存在结构欠优等问题。基于此,提出了一种结构简单、易于控制的气动软体弯曲致动器,其内部腔室为四圆柱直腔,外部约束为O形圈;并基于ABAQUS有限元分析,采用控制变量法研究气动软体弯曲致动器的壁厚、长度、气腔半径、气腔偏心距等9个几何参数对其弯曲性能的影响,得到了较优的几何参数。当致动器对单腔施加压力为200 kPa时,可得最大弯曲角124.22°,弯曲性能提高了51.65%。

螺线型气动软体致动器设计与建模

为了探索海马尾巴的解旋能力,基于生物结构的启发提出了一种基于螺线构型的气动软体致动器.区别于已有的软体致动器的弯曲运动,螺线型气动软体致动器(螺线型致动器)随着输入气压的增大可以实现正负曲率两个方向的展开运动.首先,在保持基体外侧弧长相同的情况下,依据圆形、阿基米德螺线、对数螺线3种不同螺线的数学表达式对螺线型致动器进行了3种结构设计;其次,基于超弹性材料模型、几何关系和虚功原理建立并修正了通用的静力学模型,描述输入气压与展开角度的关系;然后,对3种结构的螺线型致动器进行样机制作,并测试了它们的运动性能;最后,对比静力学模型计算结果和样机实验数据,最大平均展开角度误差为10.0166°,证明了模型的准确性.另外,根据从形状刻度线采集的坐标数据转换得到的构型空间参数,重建了螺线型致动器在不同展开状态下的理论展开形状,验证了构型空间参数获取方法的可行性.

软体机器人研究现状

介绍了软体机器人的发展和研究现状,重点总结了目前软体机器人在驱动方式、建模控制、制造工艺等方面存在的难题。其驱动方式主要有气动驱动和智能材料驱动,介绍了各驱动方式的科学原理及典型驱动结构,软体机器人本体结构主要采用3D打印技术、形状沉积法以及智能复合微结构工艺等新型工艺制成。最后阐述了目前软体机器人的建模控制方法以及应用领域,如人机交互、物品抓持、医疗领域及野外海洋勘探,尤其在医疗领域其具有广阔的应用前景。软体机器人是一种新型机器人,对它的研究尚未成熟,需从材料、结构设计、驱动、传感以及控制等方面构建出一套成熟完整的体系。

硅橡胶/还原氧化石墨烯复合薄膜的制备及其在软体机器人中的应用

采用维生素C化学还原法将氧化石墨烯(GO)还原为还原氧化石墨烯(rGO),并分别通过X射线衍射仪、拉曼光谱仪以及扫描电镜对样品进行表征。将rGO与硅橡胶共混得到多组不同质量比的硅橡胶/rGO复合薄膜,并分别通过温度采集系统以及电子万能材料试验机对样品进行表征。将rGO含量为8%的薄膜植入软体弯曲致动器中作为光热转换层,并在致动器的空腔内注入丙酮液体,制备得到通过丙酮的液-气相变驱动的软体弯曲致动器,观察并通过录像记录致动器在红外光照下的弯曲运动,得到致动器弯曲角随光照时间的变化规律。

软体仿蛙游动机器人关节式气动致动器研制

为实现仿蛙游动机器人的微小型化,增强其环境适应能力,结合软体材料的优势特点和青蛙划动推进的游动方式,提出了一种关节式气动软体致动器,该致动器在满足软体仿蛙机器人游动过程中的运动性能和力学性能的同时,使得其肢体结构更加紧凑、轻量.利用Yeoh本构模型和虚功原理,结合关节式气动软体致动器的几何参数,建立了致动器的形变分析模型.进而,在致动器总体尺寸受约束的情况下,以一定弯曲角度下致动器输出恢复力矩最大为目标,确定了致动器的具体结构参数.融合3D打印、模塑成型等加工工艺方法,加工制备了关节式气动软体致动器,并通过对比分析,确定了采用纤维线限制致动器径向凸起效应时纤维线的绕线形式和绕线密度.最后经过实验测试分析,该致动器质量约7.5g,可实现由180°弯曲状态至伸直状态的形态变化,并且在弯曲角度一定时通过调整充入气压的大小可以匹配一定范围内不同大小的负载力矩,从而验证了针对软体仿蛙游动机器人设计的关节式气动软体致动器的可行性.