双指柔顺夹持手结构设计及其力感知

针对机械手抓取形状多样化的目标件和调整夹持力大小的问题,设计了一种具有力感知的复合驱动双指柔顺夹持手。首先基于人手指关节双指贴合抓取原理,分析不规则目标件外形轮廓抓取特征,提出一种复合驱动的双指柔顺夹持手结构;其次根据柔顺夹持手驱动特点和夹取力的控制要求,采用气缸与步进电机相结合的混合驱动方式,并结合夹持手力传感器反馈,实现对不规则形状目标件的包络贴合抓取;最后对所设计的复合驱动双指夹持手进行了样机研制和力感知柔性抓取验证,测试结果实现夹持手指根节角度调整范围为-15°~15°,夹持手接触力传感器测试误差5%左右。该夹持手结构为精准夹取形状多样性的目标件提供了可靠的技术支撑,也为多指夹持手机构设计和夹持力感知研究提供了理论借鉴。

变刚度柔性夹持装置的研究进展

变刚度柔性夹持装置既保留了软体驱动器的柔顺特性,又有效提高了夹持装置的夹持力。根据结构及驱动方式的不同,变刚度柔性夹持装置主要可分为包含内骨骼或外骨骼结构、基于干扰(阻塞)效应、内嵌低熔点合金或聚合物等3个种类。包含内骨骼或外骨骼结构的夹持装置无法实现刚度的灵活调节;基于干扰效应的夹持装置的两种典型结构中,层干扰比颗粒干扰的刚度调节范围更大,但其结构更复杂,导致制造困难;而内嵌低熔点合金或聚合物的夹持装置,其最大缺陷为响应时间过长,且对设备和驱动器的绝缘以及耐热性能的要求较高。通过分析和总结目前变刚度夹持装置的研究现状,指出目前在该研究领域被忽视的关键问题主要包含3个方面:1)缺少变刚度机理方面的深层次研究;2)缺少变刚度柔性夹持装置可靠性和寿命的研究;3)缺少变刚度柔性夹持装置的应用研究。

水下机械手柔顺抓取的阻抗控制方法

针对具有较多不确定性和随机干扰的水下机械手系统,文中分析了水下环境对动力学模型和阻抗控制器的影响,构建了基于环境参数辨识的阻抗控制器来解决水下柔顺抓取的力跟踪问题。通过引入遗忘因子的递推最小二乘法在线辨识环境刚度并修正参考位置,从而减小接触力的稳态误差,实现实时性和准确性的力跟踪。利用MATLAB/Simulink软件平台进行仿真实验,仿真结果表明该控制器在引入持续外部干扰力和期望力调整的情况下,能快速实现对期望力的跟踪和实时估计接触刚度,具有较好的鲁棒性。最后,通过实验验证了该控制器在真实的水下柔顺抓取任务中具有快速稳定的力跟踪性能,其平均稳态力跟踪偏差约为0.014 N,最大力跟踪偏差约为0.138 N。

双工件台宏微交接系统设计及实验

为了减少光刻机双工件台换台的时间,保证宏动系统与微动台的可靠连接,设计了一种双工件台快速宏微交接系统。基于柔性杠杆机构设计系统的快速抓卡装置以保证结构的紧凑性,并对其锁紧力进行了分析;设计的抓卡装置中的柔性机构包括柔性杠杆及下夹板回复单元,采用有限元方法对其进行了分析。设计了快速抓卡装置的充放气回路;为了保证抓卡装置锁紧时的速度和安全性,气动系统可实现抓卡装置锁紧的3个动态过程,从而完成抓紧装置的缓冲锁紧。最后,搭建了抓卡装置下夹板运动测量实验平台和锁紧力测量实验平台。实验结果表明:抓卡装置下夹板的运动行程大于2 mm,能够保证宏动系统和微动台交接过程的安全性。抓卡装置的开启时间为350 ms,快速缓冲锁紧时间为850ms,可承载的X向驱动力大于700N。该系统满足双工件台工作及换台过程对可靠性和快速性的要求。

基于可靠性的柔顺微夹持机构几何非线性拓扑优化

为减少因制造过程中的不确定性因素而导致的机构性能下降现象,文中给出了一种基于可靠性的柔顺机构几何非线性拓扑优化设计方法.首先,建立增量形式的平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应.其次,考虑几何尺寸及作用荷载大小的不确定性,建立柔顺机构多目标拓扑优化数学模型.目标函数以平均柔度最小和几何增益最大来满足机构的刚度和柔度需求;可靠度的概率约束采用一次可靠度方法计算;目标函数灵敏度分析采用伴随求解技术;拓扑优化采用固体各向同性材料插值方法,并用移动渐近方法进行迭代求解.最后,以柔顺微夹钳的可靠性拓扑优化为例进行研究,发现基于可靠性的拓扑优化所得机构比确定性拓扑优化所得机构更合理,说明文中所提方法是正确和有效的.

免装配柔性夹钳的变密度法结构设计

目前柔性夹钳的结构设计大多为中间驱动的单载荷输入形式,而实际应用中对夹钳的使用则更需要两端载荷输入的形式。建立了基于变密度法的柔性夹钳的数学模型,采用变密度法对设计区域进行了结构拓扑优化,根据经验法将拓扑优化结果进行了重构,并对优化过程中的重要参数进行了分析,说明了单元格的种类、数量以及体积分数对拓扑优化的重要性。设计出了一种新型的两端夹持力输入的免装配柔性夹钳,并对设计结果的有效性进行了验证。

基于电磁驱动的二自由度混联柔顺夹钳设计

机器人夹钳是确保软性易变形微小物体可靠稳定夹持与操作的关键;为了实现较大范围旋转姿态调整,提出并设计了一种电磁驱动的二自由度混联柔顺夹钳。首先采用卡氏第二定理,对夹钳输入刚度、转动耦合、位移放大比以及夹持力进行了理论建模;然后,通过提出的分阶段柔顺夹钳的优化方法确定了微夹钳的材料与设计结构参数,建立了单目标优化数学模型,并通过有限元静力分析方法验证了优化后微夹钳的驱动力、夹持行程与夹持力均达到设计要求;最后,通过搭建的实验平台对柔顺夹钳的性能进行了实验验证。结果表明:所设计的柔顺夹钳转动范围与精度均符合预期值、能够对柔性锂电池塑壳实现稳定夹持。

柔性微抓取器的机构分析及设计优化

以实现对微小零件的装配为目标,通过对运用单轴柔性铰链位移放大机构的柔性微抓取器进行理论和有限元分析,指出柔性铰链的缺陷.在改进设计中提出并利用柔性梁替代柔性铰链作为抓取器的运动副.通过理论、有限元对改进后的柔性微抓取器进行分析,并通过实验证明了该抓取器的可行性.

一种新型柔性气缸驱动手爪

提出一种新型柔性气缸驱动手爪,具有抓取柔顺性和较大的抓取力,可用于抓取易碎易损品。介绍柔性气缸驱动手爪的整体结构方案,给出柔性驱动气缸的静态结构性能分析及输出力试验结果。对手爪的抓取能力和实物抓取进行试验,手爪在70 kPa的工作压力下最大抓取力为122 N,比一般柔性手爪的35 N抓取力提高了约2.4倍,并且保持了抓取时的柔顺性。

柔性结构微夹持器的分析及优化

针对压电陶瓷输出行程有限和微夹持器末端不易实现平行输出的问题,设计一种具有二级位移放大机构和位移导向机构的微夹持器。基于伪刚体模型推导微夹持器的放大倍率、输入刚度和固有频率的理论模型,并通过有限元分析验证理论模型的正确性。探讨各结构参数对放大倍率和固有频率的影响。基于统一目标函数法,以提高微夹持器的放大倍率和固有频率为目标,对微夹持器的各结构参数进行了多目标加权优化。优化结果表明,微夹持器的放大倍率和固有频率都有较大提升,优化结果符合预期。由此可知该微夹持器具有较大的输出行程与良好的平行输出性能,设计符合预期要求。

基于多稳态柔性机构跨尺度微夹钳研究

为了解决传统微夹钳在夹持时存在精度较低、行程较小、不能跨尺度(um-mm)夹持物体的问题,提出了一种基于多稳态柔性机构跨尺度微夹钳结构。将多稳态结构与传统放大机构相结合,微夹钳左侧采用杠杆机构和平行四边形机构,右侧采用三个不同双稳态串联实现八稳态,最后由平行四边形机构保证微夹钳末端输出为单纯平行移动。首先,介绍微夹钳总体结构设计;接着,利用理论计算推导出了放大机构的位移放大比和多稳态特性;最后,运用有限元方法对模型进行分析,证实了微夹钳的性能及其安全性。该微夹钳有效夹持的位移范围大、放大倍率高、结构紧凑、能实现μm-mm的跨尺度平行夹持。

基于铰链刚度柔性微夹钳设计及分析

柔性微夹钳是一种用于将微驱动输出位移放大处理的柔性机构。该结构是利用机构中柔性构件的自身变形来实现运动、力和能量的传递和转换的一种新型机构。本文基于铰链刚度设计并分析了具有放大功能的全柔性微夹钳。基于伪刚体模型建立运动平衡方程,依据虚功原理得出微夹钳输入力、输入位移与输出位移之间的关系,并对以此计算过程所得模型进行有限元模拟分析,分析结果说明与理论计算一致。当该柔性微夹钳在材料强度极限允许范围内,微夹钳单侧输出位移可达0.989 mm。而且瞬态变化均是连续平稳的,且没有突变,表明该柔性钳在运动过程中,具有良好的平滑性。最后,进行柔性微夹钳的样机制作和试验测量,验证了设计的可行性。