气动网络多腔室弯曲软体驱动器结构优化

采用理论分析和有限元分析方法对气动网络多腔室弯曲软体驱动器进行结构优化.基于Yeoh本构方程建立气动网络多腔室弯曲软体驱动器形变模型并进行静力学试验与仿真验证,利用ABAQUS软件对驱动器结构进行仿真优化,分析驱动器各结构参数对弯曲变形的影响,得到最佳优化设计方案.结果表明:驱动器限制层厚和腔室壁厚是弯曲变形的关键影响因素,优化后的驱动器性能得到提升,可为进一步应用奠定基础.     

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。     

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。     

软体机器手纤维增强式三腔体结构设计与分析

根据人手三指节结构,提出纤维增强式三腔体仿人软体机械手和新型布管方式.采用Neo Hookean模型建立了软体机械手单指的大变形数学模型,分析了软体机械手单指的形变特征,建立了弯曲模型和扭转模型.采用Ecoflex 00-50与Dragon skin 30 进行1∶1比例混合制作软体手指,并利用测试数据对理论模型进行了误差修正.结果表明,提出的新型软体手指结构的理论模型和实际测量数据一致,相对于其他结构,新型布管方式增加了整体的稳定性,得出的结论可为仿人软体机械手的发展提供理论支撑.     

一种可变直径软体机器人的设计

为了解决刚性机械手安全性低、适应性差的问题,设计一款具有抓取功能的软体机器人。该软体机器人由三个呈圆周 120°分布的软体驱动器和一个夹具组成,夹具可以实现自动化改变直径以适应不同大小物体的抓取,经测算软体机器人可以抓取直径范围为 45mm~97mm 的物体。夹具和软体驱动器都采用3D打印制造,具有成本低、制造简单、易于大规模生产的优点。软体机器人采用气压驱动,当给驱动器充气时,三手指同时弯曲抓取物体,具有很好的稳定性。对于软体驱动器建立了相应的力学模型,得到了弯曲角度与输入气压的关系,并利用ABAQUS 有限元仿真软件对驱动器弯曲特性进行仿真。对比发现,理论建模和仿真分析在驱动器弯曲角度具有很高的吻合性。     

PVC凝胶驱动及CNT/PDMS传感一体化柔性抓手的研究

鉴于目前关于的软体机器人的研究大多仅致力于软活性材料的驱动功能研究、而且忽视传感功能的研究，研究一款集驱动与传感一体化的柔性抓手机器人。首先研究PVC凝胶驱动器结构设计与制备工艺，然后研究CNT/PDMS柔性传感结构的制造工艺，在此基础上，以PVC凝胶驱动器作为柔性抓手的驱动单元，以CNT/PDMS立体结构作为柔性抓手的传感单元，设计出一款具有驱动与传感一体化的功能结构，并对该功能结构进行测试。研究结果表明：在施加800 V直流电压下单根手指的弯曲角度可达32.5°。在400V直流电压驱动下，由两根柔性手指构成的抓手能够抓取直径为15 mm、邵氏硬度分别为10-20、30-50的易变形的硅橡胶圆柱体；在抓取不同硬度的圆柱体时，CNT/PDMS的电阻变化率亦不同，表明CNT/PDMS柔性传感结构可以感知抓取物体的软硬度，证明了本研究关于驱动及传感一体化结构设计的可行性，本文的研究为后续软体机器人的设计及制造提供参考。     

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.     

气动多向柔性驱动器形变与驱动特性

设计一种片状约束环套装5个密封弹性腔体和弹簧的气动多向柔性驱动器，分析驱动器受力和力矩，建立气压与轴向伸长量、驱动力、弯曲方向的非线性理论模型.通过试验与理论模型对比，获得驱动器在不同气压下的形变与驱动性能关系.结果表明：通过控制通入气体压力，可以控制驱动器产生不同程度的形变与驱动力；气压越大，形变与驱动力越大；该驱动器具有较高的灵活性和良好的驱动性能，改变通气方式，驱动器可以完成轴向伸长和空间多个方向的弯曲变形；0.23 MPa气压下驱动器轴向伸长量为137 mm,伸长率超过100%,弯曲角度达225°,轴向驱动力为242 N,弯曲夹持力为169 N.     

形状记忆合金驱动的软体仿生手掌

与刚性部件控制的机械手臂或者手指相比,以记忆合金丝作为驱动器的驱动部件,避免了结构复杂的刚性部件以及复杂的运动反馈控制系统,其输出力—重量比高,驱动方式简便,引起各界的关注。本文以形状记忆合金为基础,设计试验了一种形状记忆合金丝驱动的软体仿生手掌。阐述了驱动记忆合金的原理、手掌的制作原理,建立了软体仿生手掌的运动学模型,采用matlab进行了运动学仿真验证分析,通过物理试验证明记忆合金驱动的软体仿生手掌可以达到手指弯曲及实际物体抓取的效果。     

基于PZT-Si的MEMS微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,该具有结构简单,响应速度快,输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用性能寿命,本文根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明：相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的“硬陶瓷”PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的“软陶瓷”PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合, 为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

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.     

双驱动型单向弯曲柔性关节弯曲特性

针对气动柔性关节在低气压下弯曲角度受限的问题,采用两个人工肌肉作为动力源进行驱动,设计了一种新型气动柔性关节.该关节由两个人工肌肉并联而成,具有1个自由度,能实现较大的弯曲变形.给出了关节的结构功能和工作原理,基于力/力矩平衡原理分析关节的弯曲特性,搭建试验系统研究关节的弯曲角度.理论分析和试验结果表明:双驱动型单向弯曲关节在低气压下也能实现较大的弯曲角度,关节的弯曲角度与气压呈非线性关系,且随关节结构参数的改变而改变.     

约束结构对单向弯曲柔性关节形变能力的影响

研制了一种新型气动柔性关节,能够实现较大的弯曲变形.该关节属于气动复合弹性体,在弯曲变形时具有非线性、大变形的特点,理论建模难度较大.通过改变约束结构和形状进行驱动变形实验,研究约束结构和形状对关节形变能力的影响.结果表明:在同样厚度约束件下,圆环面约束关节的端面转角大于圆柱面约束关节.圆柱面约束时,关节端面转角随着约束件厚度的增加而减少;圆环面约束时,关节端面转角随着约束件厚度的增加而增大.     

考虑非线性本构和小初始变形的单壁碳纳米管的Bernoulli-Euler梁模型

在有限变形条件下石墨烯的应力应变关系是非线性的,而且石墨烯卷曲形成的碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)在应用时通常会产生小的初始变形.但是,在已有的碳纳米管力学性质的研究中还没有同时考虑这两种因数影响.基于石墨烯的非线性本构关系,建立了新的包含小初始变形的Bernoulli-Euler梁模型,然后应用该模型研究了单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes,SWCNTs)的静态弯曲和一阶受迫振动.结果表明:在静力弯曲时,当初始变形与外荷载的方向一致时,初始变形增大了系统的刚度.当初始变形与外荷载的方向相反时,初始变形使碳纳米管的静力变形变得复杂.在受迫振动时,初始变形和本构中的非线性项都能改变振幅的分岔点的位置.初始变形可以使碳纳米管的力学性质由硬非线性变为软非线性.因此,非线性本构和初始变形均对碳纳米管力学行为有显著影响.     

炉内喷钙输送特性

为了研究炉内喷钙气力输送气固两相流的输送特性,对实际的工业气力输送系统进行1：1实验台改造,首先进行了系统的耗气量与输送量的特性试验;然后进行了系统的固气比与耗气量、输送量和总压的特性试验;最后考察了喷嘴位置对总压、输送量的影响。实验研究表明：炉内喷钙气力输送流动模式以稀相输送为主,表观气速约为10—12ms^-1;输送量和耗气量的特性曲线与总压和固气比的特性曲线,有相似趋势,在开始时线性增加,然后趋势逐步变得平缓;喷嘴位置存在最佳值32mm。研究结果对炉内喷钙气力输送系统的工程设计、运行和理论研究提供依据并具有指导作用。     

径向水平井造斜器内钻杆的弯曲状态分析

分析了连续管钻杆弯曲状态的各种影响因素及影响程度。结果表明 ,由于连续管材料变形强化度低 ,钻杆塑性变形有限 ,在分析钻杆反复弯曲应力状态时 ,可不考虑强化和塑性变形的面积效应。采用弹性刚塑性材料模型及平面应力假设 ,建立了内压作用下钻杆弹性层与曲率的关系以及钻杆的极限弯矩、应变中性层与轴向力、内压的关系。分析结果表明 ,钻杆弯曲主体的中性层随弯曲曲率的变化很小 ,但内压和轴向力对中性层的位置有明显影响 ;在内压和沿程阻力作用下 ,钻杆的弯曲表现为横截面变形的压弯特征和轴向弯曲的拉弯特征。这为控制钻杆的截面变形和设计造斜器滑道提供了理论基础。     

双跨弹性转子系统弯扭摆耦合非线性故障特征分析

建立了非对称弹性支承下,带有基础松动-碰摩耦合故障的双跨转子系统弯扭摆耦合非线性动力学模型.应用数值方法研究双跨转子弯扭摆耦合振动下的动力学特性,利用分岔图、幅频特性曲线图、相图及幅值谱图,分析了摆振对于双跨转子系统的影响,揭示了不同结构参数下该类转子系统的典型非线性特征,为该类转子系统故障诊断提供依据.结果表明:摆振对双跨转子系统的运动影响显著;具有松动故障的转子系统非线性幅频特性曲线呈现不光滑的多个波峰