网格结构Pneu-Net软体驱动器内部压力分析与应用

从流体力学的角度来对驱动器内部气压分布进行分析,利用长波近似的方法将气动网格软体驱动器简化成弹性直管道,推导出驱动器内部流体流动控制方程,得到驱动器内部气压、轴向位置与时间之间的关系,并通过实验验证了控制方程的准确性。根据管径越小流阻越大的特性,设计了一种气道半径渐变的三关节仿生手指,实现三关节仿生手指在单气源输入下的依次顺序弯曲,简化了气压驱动的控制方式。

基于改进三元模型的波纹管型气动软体驱动器神经网络滑模控制

针对一款波纹管型气动软体驱动器,提出了一种基于改进三元模型的滑模控制方法,并使用RBF神经网络补偿扰动以实现该型驱动器在竖直方向上对期望轨迹的跟踪控制。首先搭建波纹管型气动软体驱动器实验平台,测试并分析该驱动器的动态特性,基于上述动态特性提出波纹管型气动软体驱动器的改进三元模型;然后利用采集到的实验数据,基于最小二乘算法对其进行参数辨识,从而获得所提模型的参数;进而结合改进三元模型设计滑模控制器,使用RBF神经网络对集总扰动进行补偿,并利用Lyapunov方法分析系统的稳定性;最后通过一系列实验验证了所提方法的有效性。

刚度增强型气动软体驱动器优化设计与试验

针对软体机器人刚度不足的问题,设计了一种内置弹性骨架的刚度增强型气动软体驱动器。基于二参数Yeoh模型建立驱动器材料本构模型,通过拉伸试验获得材料参数。利用有限元分析软件优化驱动器设计,分别对气囊结构、几何参数,纤维线径、缠绕角,弹性骨架刚度等进行仿真分析,获得设计参数对驱动器弯曲角度和刚度的影响规律。由仿真结果可知:具有扇形截面气腔、较大长径比、较薄外壁厚、较大腔室角及较细纤维线径的驱动器能提供更高柔性,而内置的弹簧骨架能够在保证柔性的同时提升刚度。根据优化设计结论,制作驱动器样机并进行试验验证。结果表明:设计的软体驱动器动作灵活柔顺,在0.16 MPa气压下弯曲角度可达55°,增设适宜骨架后,刚度提升了65.4%。

复合变形软体驱动器设计及试验

模拟蚯蚓肌肉特性,设计了一种单气道多气室复合变形软体驱动器。气室由环形气室和线性气室组成。在气压作用下,该驱动器可同时实现径向膨胀和轴向伸长。为提升性能,利用ABAQUS软件仿真分析外形结构参数对变形性能的影响。制作样机并进行变形量与输出力测试。结果表明:在气压作用下,驱动器可实现径向膨胀和轴向伸缩。在0.12 MPa气压下,膨胀区直径为70 mm的驱动器最大径向膨胀率和轴向伸长率分别为19.1%和9.8%,径向力和轴向力分别可达70.0 N和32.8 N。

仿生软体驱动器的研究综述

软体驱动器是智能和交互式软体机器人的核心部件,由于其高度的灵活性、良好的环境适应能力以及安全可交互等优势,被广泛应用于工业、农业、医学、救护和公告服务等领域。研究人员通过对生物的模仿制造出了各种类型的软体驱动器。围绕国内外近些年来软体驱动器的研究成果,介绍了国内外软体机器人中所采用的软体驱动器技术的基础研究发展现状;针对软体驱动器的基本特性对其进行了系统归纳分类,介绍了各类型软体驱动器的基本工作原理,介绍了各种软体驱动器各领域的的应用现状以及各种类型驱动器的优缺点和在实践应用中存在的问题;对软体驱动器未来的发展趋势进行展望。

高伸缩比气动软体驱动器刚度特性研究

对一款由乳胶气囊、纤维布等材料组成的高伸缩比气动软体驱动器的刚度特性展开研究。根据软体驱动器的结构特点,采用理论与实验相结合的方法,改进软体驱动器的静态输出力模型,建立软体驱动器的静态刚度模型;并结合气体多变方程,建立软体驱动器的动态刚度模型,动态刚度为静态刚度与气压刚度之和;搭建软体驱动器静态刚度实验平台并对其静态刚度进行实验研究。结果表明:软体驱动器的静态刚度随膨胀高度的增大而减小,具有良好的线性关系和较小的相对误差,当供气压力为70 kPa时,软体驱动器静态刚度可达15 kN/m左右。对气压刚度进行仿真分析,结果表明:气压刚度主要受膨胀高度、供气压力以及激励位移的影响,当软体驱动器膨胀高度为30 mm、供气压力为10 kPa、激励位移为5 mm时,气压刚度仅为静态刚度的1/6左右。

用于手部康复的热塑性聚氨酯软体驱动器研究

针对软体康复训练手套制作流程复杂和辅助力低等问题,文章基于热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU),借助3D打印技术,研制具有单、双向软关节的分段式气动软体驱动器。通过有限元软件建立TPU材料超弹性本构模型,仿真分析软体驱动器弯曲特性,试验测试研究软体驱动器弯曲角度、运动轨迹和握力,结果表明,软关节特性满足人手关节最大弯曲角度120°需求,软体驱动器弯曲状态与人手运动轨迹相符,最高握力达11.5 N。直接3D打印的软体驱动器制作简单,辅助力强,满足手指康复训练需求,为手功能损伤患者提供一种更加安全有效的康复训练设备。

气动软体驱动器的活塞式驱动特性

为解决气动软体驱动器的气源问题,利用活塞式驱动方法实现软体驱动器的压力与变形控制。根据气动软体驱动器的基本力学特性,给出气动软体驱动器的线性化模型,建立了活塞式驱动软体驱动器的静力学模型及拮抗式驱动系统的活塞驱动模型。对活塞式驱动的伸长型和弯曲型软体驱动器进行了测试,活塞位移和软体驱动器的变形之间近似呈线性关系,与理论相符合。活塞式驱动方法简化了软体驱动器的能源部分,为流体驱动软体机器人研究提供了具有应用潜力的能源控制解决方案。

基于质子交换膜的气动软体驱动器的自密封结构

对于现有的基于质子交换膜的气动软体驱动器,其密封结构是通过软体结构与质子交换膜直接粘接形成的,承受的工作压力较低,从而限制了软体驱动器的性能。为提高基于质子交换膜的气动软体驱动器的工作压力,设计一种利用气动软体驱动器的气腔内压实现密封的自密封结构。通过有限元分析法,分析自密封结构的密封特性以及关键结构参数如斜面倾角、密封圈结构顶面宽度及气腔内侧壁厚度对密封性能的影响。结果发现:增大密封圈结构斜面倾角和顶面宽度,以及降低气腔内侧壁厚度,均能提高自密封结构的密封能力;相较于斜面倾角和气腔内侧壁厚度,改变密封圈顶面宽度能够更显著提高自密封结构的密封能力。结合有限元仿真分析的结果,通过实验测试自密封结构的密封性能。结果表明:采用该自密封结构的基于质子交换膜的气动软体驱动器工作压力更高,变形能力和负载能力更强;而且自密封结构通过密封失效能够对软体驱动器的结构起到过压保护作用。

一种新型螺旋变形软体驱动器建模方法及应用

软体驱动器的变形方式主要为弯曲、伸缩变形,限制了软体驱动器的灵活性。为了提高软体驱动器的操作灵活性,提出一种新型的螺旋扭转变形软体驱动器。通过拉线驱动软体变形,骨架限制驱动器产生螺旋变形,实现驱动器末端在三维空间中的可控运动。基于常曲率连续软体运动学理论及螺旋扭转变形的几何关系,建立了一种适用于常曲率螺旋变形运动学模型,获取在全局坐标系下驱动器末端的坐标变换矩阵,实现对驱动器位姿的描述。通过仿真和实验数据验证,模型精度大于98%。为螺旋扭转变形驱动器的控制建立精确的运动学模型,为未来基于此软体驱动器的超高灵活性抓手的搭建提供了理论模型基础。

基于波纹管结构的软体驱动器研究

软体机器人主要通过软体驱动器实现运动。因此,软体驱动器的研究对软体机器人的发展起到了至关重要的作用。基于波纹管结构,采用3D打印的方式制造了一种具有良好运动性能的软体驱动器,并通过有限元分析软件,分析其主要结构参数对软体驱动器运动性能的影响。最后通过实验平台对软体驱动器的运动性能进行测试。实验结果表明:软体驱动器伸长量能达到60 mm,弯曲角度可达75°,从而证明所设计的软体驱动器拥有良好的运动性能。

仿鳐式软体驱动器弯曲预测方法的研究

相对于传统的刚性机器人,由硅胶等柔性材料制造的软体机器人在结构上具有自由度高且能够进行连续形变的特点。目前,多数软体驱动器的气腔形状为等截面形态,而对于变截面软体驱动器的研究却少有涉及。为了解决这一问题,从鳐鱼的运动受到启发,设计了一款气腔截面纵向变换仿鳐式软体驱动器。驱动器限制层设计为不可压缩的薄层,结合应变能密度等理论,提出一种预测驱动器的弯曲变形角度的方法。通过3D打印技术制作模具,浇注模型,制作出仿鳐式软体驱动器。通过理论分析、有限元仿真、实验对比验证其数学模型,绘制仿鳐式软体驱动器在0.02~0.07 MPa气压下的中心线轨迹,分析输入气压与末端输出力的关系,验证了驱动器的理论分析、有限元仿真与实验结果在一定的误差下基本一致。其预测方法表现良好,为进一步研究仿鳐式软体驱动器在空间形变提供理论方法。

气动齿状软体驱动器的理论建模、仿真分析及实验研究

针对气动齿状软体驱动器,从腔室侧壁膨胀角和驱动器弯曲角度的非线性几何关系出发,基于虚功原理和Neo-Hookean超弹性不可压缩材料的非线性本构关系,建立了同时考虑底层、侧壁、前后壁应变能的准静态力学模型.该模型考虑了几何非线性和材料非线性,能够准确高效求解不同驱动气压和末端载荷作用下的软体驱动器构型.在此基础上利用Abaqus软件对固支-自由软体驱动器进行有限元仿真,并搭建了相应的实验装置,对不同气压作用下的驱动器进行了仿真分析和实验研究.结果表明:驱动气压与软体驱动器的弯曲角度呈线性相关,且理论模型的预测结果与有限元仿真和实验结果基本吻合.此外,分析了软体驱动器各部位的应变能分布情况.针对驱动器受末端载荷的变曲率情况,基于分段等曲率模型得到的构型与Abaqus基本一致.该准静态建模方法为同类软体驱动器的结构优化设计、性能改善和运动控制建立理论基础.

气动齿状软体驱动器动力学建模与仿真分析

针对发生面内弯曲、超弹性材料气动齿状软体驱动器,从非线性本构关系出发,考虑几何非线性,基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)建立二维多梁结构的动力学模型。考虑多点接触,采用罚函数法对相邻气腔之间的软接触问题建模,避免相邻气腔之间的互相穿透,并能准确模拟相邻气腔从不接触到充分接触的变拓扑过程;相比于ANCF实体单元模型,二维梁模型计算规模小,更加高效。通过气动弯曲试验和ABAQUS仿真,验证理论模型的计算精度;在此基础上研究重力对软体驱动器构型的影响,分析充气速率和最终加载气压值对其动力学响应的影响。

气动软体驱动器的建模与仿真分析

为了较准确地描述软体驱动器的弯曲变形,利用Solidworks软件建立了软体弯曲驱动器的模型,通过控制驱动器内部的气压大小使其呈现不同的弯曲角度。首先,基于Yeoh模型进行非线性数学模型的搭建,分析其弯曲角度和输入压强之间的关系;其次,利用ABAQUS软件分析腔室数量n、腔室高度h和腔室壁厚t这3个结构参数对驱动器弯曲性能的影响,确定其结构参数;最后,将仿真结果与数学模型的预测结果进行对比。结果表明,其理论数据和有限元仿真结果较为一致,研究结果可以为驱动器的运动控制提供理论基础。

多段可重组软体驱动器的设计与运动学分析仿真

软体驱动器是软体机器人的核心组成部分,提出了一种可重组的多段式软体驱动器。首先利用气囊单元与柔性骨架相结合,设计了两种类型的可重组软体驱动器,通过采用不同的拼接方式和拼接段数,可得到多种构型的软体机器人,且针对不同构型的软体机器人建立运动学模型,并在仿真平台上进行了仿真验证。此设计与分析为软体机器人的设计与运动学分析提供了新的思路,具有一定的参考价值。

紫外引发聚合联合原位氧化聚合制备光热响应性软体驱动水凝胶

针对高等学校高分子科学实验教学项目缺乏时代创新性的现状,提出了将两种聚合策略联用的手段,制备具有光控响应特性的聚合物基软体驱动水凝胶材料,并对其光热驱动行为进行表征,以拓展学生对高分子材料在仿生智能应用领域的认知。本实验首先利用紫外引发聚合的方法制备具有温度响应特性的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝胶,并进一步联合导电聚合物的原位氧化聚合策略,在PNIPAM水凝胶的内部原位生长具有光热效应的导电聚合物材料,从而制备得到具有光热响应特性的软体驱动复合水凝胶材料,并最终通过近红外光照射的方式,探究所制备光热驱动水凝胶的智能响应驱动性能。本实验立足于当代前沿研究热点,内容既涵盖利用基础聚合方法制备高分子材料,又包含功能性聚合物材料的性能表征,不仅可以夯实学生对高分子聚合方法的理解,还可以拓展学生对功能性高分子材料研究前沿的认知,将有利于提高学生的培养质量。

三腔道软体驱动器弯曲预测方法的研究

三腔道软体驱动器为软体驱动器最具应用潜力的结构特征之一,现有三腔道软体驱动器空间变形力学特性研究中,仍缺乏一个简单有效的变形预测方法。针对这一问题,在分析三腔道软体驱动器空间变形原理的基础上,提出矢量方程法;然后,基于三腔道软体驱动器的单个腔道通入气压形变效果的基础上,结合矢量方程法建立了气压与软体驱动器末端空间位置和变形轨迹的非线性数学模型;最后,开展对三腔道软体驱动器的有限元仿真及实验验证。结果表明,基于矢量方程法所建立的数学模型能够较好地预测软体驱动器空间变形轨迹,为三腔道软体驱动器空间变形提供了一种研究方法。

颗粒流驱动变刚度弯曲软体驱动器的设计及运动仿真

为提高软体机器人的承载能力,利用颗粒物质兼具流体和阻塞刚化的特性,设计了一种变刚度弯曲软体驱动器。以颗粒物质力学为指导,设计并制造了变刚度弯曲软体驱动器样机。通过试验获得了分别描述颗粒物质和变形腔材料的联合弹塑性模型、Ogden超弹本构模型,提出了软体驱动器运动过程的有限元仿真方法,搭建了变刚度软体驱动器实验平台。实验与仿真获得的弯角误差约为15.6%,利用颗粒阻塞原理可使承载能力提高约1.75倍。

多腔体软体驱动器负载抓持变形特性研究

为揭示工作压力与负载的作用对多腔体软体驱动器变形的影响规律,建立了多腔体软体驱动器变形评价指标,包括末端轨迹、末端接触力、曲率半径和腔体拟合圆直径4个指标。基于不同负载和工作压力下的试验结果,采用拟合的方法建立了多腔体软体驱动器曲率半径与工作压力、负载的关系模型,并采用该模型对不同负载下的驱动器曲率半径变化曲线进行预测。分析结果表明,曲率半径拟合数学模型试算结果与试验结果吻合度较高。负载的增大使多腔体软体驱动器的末端轨迹变化范围明显减小、线性度增加;曲率半径随工作压力的增加呈指数下降的趋势,曲率半径和末端轨迹受负载作用的非线性都较强;工作压力和负载对腔体拟合圆直径的影响呈相反的趋势。该研究能为不同用途下多腔体软体驱动器的设计与精确控制提供参考。