基于气动人工肌肉力反馈数据手套的柔性物体力觉再现

为了模拟抓取虚拟环境中柔性物体的力觉感知,该文对以气动人工肌肉作为驱动器的外骨架力反馈数据手套进行了研究.利用气动人工肌肉的等压特性,建立了柔性物体模拟的数学模型,通过改变气动人工肌肉的充气压力改变其刚度系数,实现对不同柔性物体的模拟.实验结果表明:在相同的手指弯曲角度下,手指的受力随着气动人工肌肉充气压力的增大而增大,因而能够模拟抓取虚拟环境中柔性物体的力觉感知.     

等腰梯形压电黏滑直线驱动器设计与试验研究

提出了一种等腰梯形压电黏滑直线驱动器,通过粘贴在等腰梯形柔性机构柔性斜梁两侧的4片矩形压电陶瓷片使驱动足驱动滑块,以达到基于黏滑运动的高分辨率和大行程线性运动。调整等腰梯形柔顺机构斜梁的角度,可使驱动足产生横向运动,基于有限元方法,获得了柔性梁的适当角度。通过等腰梯形柔性铰链驱动足的横向运动,可增加使滑块前进的静摩擦力,减少回退动摩擦力。搭建了试验测试系统并进行了一系列试验,结果表明,该样机在4 N锁定力下最大输出速度为601.803μm/s,最大输出力为2.8 N,最小步进距离为0.026μm。采用压电陶瓷片作驱动源,易于小型化,拓宽了压电陶瓷片的应用领域。     

大直径气动潜孔锤动力学过程分析

建立大直径气动潜孔锤的数学建模,通过动态过程数值模拟分析不同供气压力下气动潜孔锤结构参数对性能的影响。结果表明:过大的供气压力将使活塞超出设定行程,过小的供气压力无法形成较大的冲击频率。活塞低速时进气腔出现压力波动现象,这是由于进气量和容腔变化量相互作用引起的,可通过增大进气通道面积,减少压力波动。     

微进给机构的柔性铰链设计与有限元分析

设计一套以音圈电机为驱动电机,柔性铰链为支承元件,碟形弹簧为减震机构的微进给机构.柔性铰链采用双平行四杆机构的结构形式,计算了柔性铰链在音圈电机峰值推力作用下的最大输出位移和最大应力值.通过有限元分析柔性铰链在不同推力作用下的应力、应变图,发现在音圈电机最大推力800 N作用下,柔性铰链的最大应变为224.67μm.分析结果证明,所设计的直圆形双平行四连杆柔性铰链能够满足微进给机构的往复进给行程要求.     

涡旋膨胀机改造及试验性能研究

针对涡旋膨胀机普遍存在输出功率和气动转化效率相对较低的问题,提出了基于涡旋体型线修正和进口面积调整的2种涡旋膨胀机结构改造方法。以具有圆弧加直线型线结构的涡旋压缩机为例,采用圆渐开线加过渡直线的组合型线修正方法,结合进口面积调整原则完成了涡旋膨胀机改造。试验结果表明:改造后样机全效率最高可达53%,输出功率随供气压力升高而增大,其中550kPa供气压力时输出功率可达780W;相同工况下,进口面积增大30%,输出功率增幅可达100W,全效率提高10%。该结果验证了涡旋膨胀机结构改造方法的有效性,为涡旋膨胀机结构设计和实用化奠定了理论和实践基础。     

压电陶瓷驱动器的力输出特性

目的研究压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性,为压电陶瓷驱动器力输出方面应用提供理论依据.方法首先,设计一种压电陶瓷力输出性能测试装置;然后,对预压力施加速度、施加预压力与电压的间隔时间、装置设计等外界因素对力输出特性影响进行分析;最后,使用最大输出力、平均迟滞度、最大曲线偏差值、曲线漂移量和曲线周期延迟量等多个评价指标,对PSt/150/4/7VS9型压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作、电压步长等条件下的力输出特性进行实验分析.结果压电陶瓷驱动器在150 N预压力和1 Hz的电压频率条件下输出效果最好,最大输出力可达到116.56 N,平均迟滞度为10.74%,曲线最大偏差为3.89%,曲线漂移量为-0.47 N;过多次循环工作会造成迟滞曲线的重复性变差和延迟累计增大现象;相同电压步长下,力输出增量随着起始电压的增大而增大.结论实验结果符合电畴翻转理论,且压电陶瓷驱动器具有力输出最佳工作条件.     

超磁致伸缩驱动器的输出力动态响应特性

设计了一种新型超磁致伸缩驱动器,通过ANSYS有限元分析软件对超磁致伸缩驱动器的内部磁场进行了仿真。并搭建了输出力动态响应特性测试系统,通过改变外加电流与预紧力大小对驱动器的动态响应时间进行研究。实验结果表明,该驱动器的磁场设计合理;当电流小于2.5 A且预压力一定时,其输出力响应时间随电流的增大而减小;设计的驱动器在预压力达到300 N时输出力响应时间最短。     

基于绝对节点坐标法的压电驱动复合结构动力学特性

软体机器人的驱动一般由较硬的驱动元件与柔性介质复合而成,两相材料耦合大变形的精确描述是驱动部件结构设计与运动控制的关键.针对复合柔性板结构大变形的特点,基于绝对节点坐标方法,通过变形协调条件将梁和板单元进行耦合,同时引入压电驱动材料本构方程,建立带压电材料驱动器的复合柔性板结构动力学模型,并对其动力学特性进行分析,以研究不同参数对该动力学模型的影响.结果表明:柔性悬臂板结构在压电驱动作用下产生弯曲变形,变形量及板末端位移随驱动电压的增大呈近似线性增大规律,且板结构弹性模量越小则该变形量增大的程度越大;随着弹性模量减小,板结构产生的周期性振动幅度增大,周期变长.     

混合驱动连续型机器人设计

连续型机器人具有本质柔顺的本体结构,由此带来的环境适应性和安全性得到了人们的广泛关注.然而柔软的结构也可能导致机器人负载能力和定位精度的不足.针对这种情况提出了一种全新的混合驱动连续型机器人,能够平衡结构柔顺性、定位精度、刚度等性能.该机器人的驱动器在传统气动肌肉的基础上内置弹性杆,保持了系统的紧凑性.通过模式切换机构使驱动器能够在气压驱动与弹性杆驱动两种模式间切换以实现大范围运动和小范围精确定位,并在这个过程中拥有不同的刚度.当机器人进行大范围运动时,由气动肌肉提供主要的行程和输出力;当机器人到达指定工作位置附近时,由直线电机牵引弹性杆驱动机器人末端实现精确定位并提高机器人的刚度.基于力平衡的原理建立了混合驱动器的气压-长度模型,通过模型仿真与实验结果的对比,发现驱动器死区的存在并修正了该模型,验证了机器人驱动器抗迟滞的特性.通过不同姿态与驱动方式下对机器人施加外力的实验证明了机器人的变刚度特性.通过对机器人末端的定位实验验证了混合驱动连续型机器人的重复定位能力相较于单纯气压驱动方式有显著增加.结果表明,通过混合驱动的方式提供了一种具有变刚度效果并能有效增强柔性连续型机器人定位精度的方法.     

超磁致伸缩-压电直线式蠕动机构的设计

为研制大行程高精度进给机构,基于蠕动运动原理,以超磁致伸缩微驱动器为驱动元件、嵌入柔性铰链中的压电陶瓷驱动器与V形导轨配合为箝位方式,研制了超磁致伸缩压电直线式蠕动机构样机,并利用计算机对其运动进行了闭环反馈控制。运行测试结果表明,该机构能够稳定地蠕动步进和后退,位移重复定位精度可以达到±15nm。     

内嵌阻尼器的摆动伺服气缸

针对普通摆动气缸不能在行程中间实现任意点精确、快速定位的问题,研究开发一种摆动伺服气缸。提出集成叶片式气压驱动装置、圆盘式磁流变液旋转阻尼器、角度检测装置的摆动伺服气缸结构方案。设计了高速响应的驱动电源,线圈电流的阶跃响应时间约为1ms。对摆动伺服气缸基本性能试验结果表明:摆动伺服气缸具有良好的驱动性能,摩擦力矩较小,对气压驱动基本无影响,可调阻尼力矩在控制电压4.5V时达到饱和阻尼力矩24.7N·m,动态力矩平稳,波动在5%以内,输出力矩响应时间约为35ms。     

一种柔顺5杆机构的运动原理分析

利用柔顺结构和压电叠层元件的优点,在分析常见柔顺机构的基础上,提出一种压电驱动的柔顺5杆机构。研究该机构各部件的位移输出特性,得到5杆机构顶端的椭圆运动轨迹方程;通过搭建振动位移测试系统,测得该5杆机构顶端的振动位移曲线,验证该柔顺5杆机构可用于精密位移致动器的设计。     

Improved Active Vibration Isolation Systems

The control force, feedback gain, and actuator stroke of several active vibration isolation systems were analyzed based on a single-layer active vibration isolation system. The analysis shows that the feedback gain and actuator stroke cannot be selected independently and the active isolation system design must make a compromise between the feedback gain and actuator stroke. The performance of active isolation systems can be improved by the joint vibration reduction using an active vibration isolation system with an adaptive dynamic vibration absorber. The results show that the joint vibration reduction method can successfully avoid the compromise between the feedback gain and actuator stroke. The control force and the object vibration amplitude are also greatly reduced.     

气动AMT离合器执行机构的动力学仿真

为分析气动AMT离合器执行机构的动力学性能,在对执行机构系统进行深入分析和研究的前提下,推导并建立了单作用气缸、离合器操纵传动机构的动态数学模型. 通过Matlab/Simulink离线仿真分析了系统的动态特性. 建模过程中考虑了操纵机构的力、位移传递特性,并结合气压驱动的特点对气体运用了等熵模型分析,实车实验结果验证了仿真模型的准确性.      

大纵坡隧道复合式TBM掘进推力对管片结构的力学响应分析

TBM在进行大纵坡隧道上坡施工时的掘进推力控制不当,易造成管片错台、上浮甚至结构失稳等问题,因而研究大纵坡隧道TBM掘进推力对管片结构的力学响应具有重要的工程意义。本文以重庆轨道交通9号线刘家台始发井～鲤鱼池站区间坡度为3.9%的复合式TBM隧道施工为例,采用基于荷载-结构法的隧道纵向梁-弹簧模型和数值模拟法,分析了复合式TBM在大纵坡隧道掘进过程中不均匀千斤顶推力作用下产生的附加作用力特征,探究了管片结构在附加作用力影响下内力分布规律及其变形的薄弱区域,以及管片结构变形甚至破坏的表征,从而寻求具体控制TBM施工掘进推力的有效措施。研究成果可为规范大纵坡隧道TBM施工中的推力分区和选值提供借鉴。     

基于气动装置神经网络模型的anti-windup控制器设计

为提高气动系统的控制效果,以Levenberg-Marquardt算法训练多层前馈神经网络,建立了一气动装置的神经网络模型并推导出ARX模型.基于气动装置的ARX模型,采用Ragazzini方法设计了anti-windup控制器.实时控制结果表明,所设计的控制器有效地克服了控制死区和阀的饱和效应,实现了对该气动装置快速和高精度的控制.     

压电智能驱动器力学模型的建立及数值模拟

基于PZT逆压电效应和结构动力学波动原理,建立粘贴式PZT驱动器与主体结构耦合简化力学模型及数学模型;考虑粘结层阻尼效应,建立PZT驱动方程并求解输出力表达式,确定驱动器力学与电学特性的对应关系;通过胶层材料特性、传递的切应力及其厚度变化对PZT驱动性能的影响进行算例分析,拟合出胶层传递剪切力与胶层厚度关系曲线,证明了运用所建立的驱动模型能有效地模拟检测PZT的逆压电规律,可为利用压电智能驱动器控制工程结构检测提供理论依据.     

气液联控柔顺力控制系统及其自适应试验研究

针对阻抗控制中力控制的难点在于不能精确知道外界环境的刚度和位置,继而导致跟踪误差的问题,采用滑模位置控制器及自适应控制方法,设计了气液联控柔顺力控制系统.在外界环境模拟系统分别做往返斜坡运动(8 mm/s),以及在0.1 Hz正弦运动下,进行了气液联控柔顺力控制的试验研究.试验结果显示,位移的最大相对误差分别为1.85%和1.1%,力跟踪的最大相对误差分别为2.5%和1.85%,表明此方法具有较好的鲁棒性,可以克服系统对于环境参数精确性的依赖.     

Analysis of characteristics of a pneumatic miniature robotic system

This paper described the structure of a flexible miniature robotic system which can move in human cavities, and then analyzed the characteristics of the robotic system in detail. The mobile mechanism of the miniature robotic system is soft; it makes inchworm-like movement driven by a 3-DOF pneumatic rubber actuator and holds its positions by air chambers. The driving characteristic models in axial and bending directions of the actuator were set up and the kinemics equations of the robotic system were set up. Experiments had been done through an electro-pressure control system, by which the pneumatic robotic system can be controlled with high accuracy. It is suitable for moving in human cavities for medical inspection.     

离心式作动器及驱动系统研究与实现

作动器系统作为直升机结构响应主动控制系统（ACSR）执行元件的重要核心部件,其控制性能 直接关系到振动的抑制效果。本文研制了一套基于永磁无刷直流电机驱动的离心式作动器原理样机,详细 阐述了系统组成及工作原理,论述了作动器输出力频率、幅值和相位的调节方式。依据离心式作动器的原 理建立了偏心块的输出力方程,选取了 MAXON 公司生产的 EC60 flat 411678 无刷电机作为驱动源。设计 了作动器伺服控制系统,针对功率驱动中的隔离 DC/DC、自举二极管、自举电容、电流驱动能力及母线支 撑电容等关键参数进行了详细设计。通过实验验证,电机转速误差最终被控制为 1%以内,位置响应时间 小于 50mS,振动抑制在 0.0015g 以下,取得了较好的控制性能,为离心式作动器系统在直升机平台的应用 奠定了基础。