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可变刚度柔性手指的仿真与优化

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第6期54卷 70-80页

作者：张军诗张凡刘磊刘庚李鹏飞朱继宏张卫红西北工业大学机电学院西安710072 西北工业大学航空学院西安710072 西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048 西北工业大学深圳研究院深圳518063 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710054

与传统的刚性手爪相比,柔性手爪使用的机械手指采用轻质、柔软的材料,具有接触灵活、适应性强的特点,可以用来抓取轮廓形状复杂的易碎物体.本文设计并制造了一种具有刚度调节能力的柔性机械手指.柔性手指由内部弯曲致动器和外部变刚度... 详细信息

与传统的刚性手爪相比,柔性手爪使用的机械手指采用轻质、柔软的材料,具有接触灵活、适应性强的特点,可以用来抓取轮廓形状复杂的易碎物体.本文设计并制造了一种具有刚度调节能力的柔性机械手指.柔性手指由内部弯曲致动器和外部变刚度外套构成,并在气动压力的驱动下工作.首先,通过有限元分析的方法对气动弯曲致动器的参数进行了优化;然后,利用RVE代表体元法建立了变刚度外套中纤维介质堵塞现象的分析方法;最后,结合刚度可调外套,展示了柔性手指的变刚度能力,同时,将三根相同的柔性手指组装成柔性手爪,研究发现变刚度外套使得手爪的抓取力增强了两倍以上.本文所提出的柔性手指在柔性机器人领域具有很大的应用潜力.

关键词：柔性手指弯曲变形可变刚度有限元分析优化设计

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一种气动柔性手指的板弹簧骨架模型研究

制造业自动化 2014年第6期36卷 86-89,112页

作者：朱飞成章军陈春华熊强江南大学机械工程学院无锡214122

介绍了一种以板弹簧作为骨架的气动柔性手指。该手指由气缸驱动板弹簧产生变形实现弯曲动作。在平面上,将板弹簧受力状态等效于自由端受变化的集中载荷和弯矩共同作用下产生大变形的弹性悬臂梁。对柔性手指的变形状态建立了静态模型,通... 详细信息

介绍了一种以板弹簧作为骨架的气动柔性手指。该手指由气缸驱动板弹簧产生变形实现弯曲动作。在平面上,将板弹簧受力状态等效于自由端受变化的集中载荷和弯矩共同作用下产生大变形的弹性悬臂梁。对柔性手指的变形状态建立了静态模型,通过构造板弹簧变形的微分方程,结合柔性手指变形协调方程,采用网格法,利用Matlab软件进行求解,得出了不同气缸压力下,板弹簧长度方向上不同截面的变形与应力分布情况,为柔性手指的设计提供了理论模型与计算方法。

关键词：机械手柔性手指弹性悬臂梁大变形

气动单向弯曲关节柔性手指静力学特性实验研究

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机床与液压 2022年第11期50卷 14-19页

作者：刘洪波孟祥蕊耿德旭武广斌梁正许文智北华大学工程训练中心吉林吉林132021 北华大学护理学院吉林吉林132013

某气动单向弯曲关节柔性手指由人工肌肉和弹性钢板并联组成,弯曲变形时具有大变形和非线性特点,静力学模型十分复杂且不利于控制。为便于实时精准控制,进一步简化手指静力学模型,并对其静力学特性进行实验研究。搭建静力学实验平台,对... 详细信息

某气动单向弯曲关节柔性手指由人工肌肉和弹性钢板并联组成,弯曲变形时具有大变形和非线性特点,静力学模型十分复杂且不利于控制。为便于实时精准控制,进一步简化手指静力学模型,并对其静力学特性进行实验研究。搭建静力学实验平台,对单肌肉驱动和双肌肉驱动两种不同驱动类型的柔性手指在不同限位面和等外载荷工况下分别进行夹持力和弯曲角度的对比实验。利用MATLAB对实验数据进行处理分析,得到手指夹持力和弯曲角度的经验模型。结果表明:气动单向弯曲关节柔性手指夹持力与弯曲角度、工作气压和驱动肌肉数目之间存在非线性关系;与静力学理论模型相比,该经验模型具有更高的精度,夹持力模型预测误差能控制在0.76 N内,弯曲角度模型误差可控制在6.9°内。

关键词：气动单向弯曲关节柔性手指夹持力弯曲角度经验模型曲面拟合

模糊PID气动仿人柔性手指位姿控制系统设计

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模糊PID气动仿人柔性手指位姿控制系统设计

作者：高宇轩哈尔滨商业大学

学位级别：硕士

随着机器人技术的不断发展,机器人在各个领域中的应用越来越多,比如医疗和工业等行业,传统刚性机械手通用性、灵活性较差,无法满足应用需要,而柔性机械手因为其较好的灵活性和适应性变得越来越受欢迎。通常柔性机械手使用硅胶等柔性材... 详细信息

随着机器人技术的不断发展,机器人在各个领域中的应用越来越多,比如医疗和工业等行业,传统刚性机械手通用性、灵活性较差,无法满足应用需要,而柔性机械手因为其较好的灵活性和适应性变得越来越受欢迎。通常柔性机械手使用硅胶等柔性材料进行制作,且采用气压或液压等驱动方式。文中分析了仿人柔性手的几何结构,对手指建立数学模型,得出手指几何参数对手指性能的影响,根据人手尺寸和数学模型,得到手指的具体结构参数,并设计了手指的控制器,最后对手指模型和控制器组成的控制系统进行联合仿真,分析控制系统性能。根据多腔体柔性手指弯曲理论,手指的尺寸和结构参数对手指的弯曲性能有很重要的影响。通过对仿人柔性手指进行理论分析,基于Yeoh模型建立数学建模并对模型进行计算,可以得出影响手指弯曲性能的结构参数,与仿真结果结合分析可得到手指结构的具体参数,最终设计出仿人柔性手指。根据仿人气动柔性手指的特点,选择合适的控制系统可以提高对柔性手指的控制速度和精度。选择模糊PID控制作为控制系统,对模糊PID控制器进行设计,对模糊PID控制器中的初始参数进行整定,可以得到适合柔性手指系统的模糊PID控制器和相应的初始参数和参数的变化范围,增加对柔性手指系统的控制精度。针对所设计的模糊PID控制器,对其进行控制性能分析。根据模糊PID控制原理,建立控制系统模型,利用Matlab/Simulink和COMSOL对柔性手指系统进行联合仿真分析,探究所设计的模糊PID控制器的控制效果。

关键词：柔性手指 Yoeh模型模糊PID控制联合仿真

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重力反馈的自适应柔性手指的设计

重力反馈的自适应柔性手指的设计

作者：张鹏西安电子科技大学

学位级别：硕士

柔性鳍状结构是基于鳍条效应的一种被动柔顺结构,可以对柔软物体进行自适应柔性抓取,具有一体化制造、结构简单、成本低、适应性强等优点。现有常见的柔性手通常是用热塑性弹性体(TPE)3D打印制成,可以自适应抓取生活中常见的轻质物体(4... 详细信息

柔性鳍状结构是基于鳍条效应的一种被动柔顺结构,可以对柔软物体进行自适应柔性抓取,具有一体化制造、结构简单、成本低、适应性强等优点。现有常见的柔性手通常是用热塑性弹性体(TPE)3D打印制成,可以自适应抓取生活中常见的轻质物体(400g以内)。但每次抓取,操纵者必须根据被抓物体的材质与体积大小,对电机的行程进行相应的调节,这些因素导致柔性手在实际应用方面具有很大的局限性。同时,现有柔性手的制作通常是借鉴前人的经验,并没有一个精确的数学模型来说明其结构参数与运动特性之间的关系,在建模与制造的过程中具有一定的盲目性,并不能找到柔性手结构设计的全局最优解。本文主要针对以上两个问题来展开研究,建立常见柔性鳍状结构的数学模型,并设计一款新型柔性手指,该手指可以“识别”被抓物体质量并通过反馈的方式来补偿柔性手抓取力不足的缺点。本文围绕自适应柔性手指的主要研究工作如下:(1)针对柔性手指负载能力轻与形状适应难以兼顾的问题,设计了重力反馈的柔性手指结构。首先分析现有柔性鳍状结构的变形原理,将柔性手指模型抽象为梁模型。然后通过构型分析及推理,得到了柔性手指反馈机构的结构简图;最后介绍了柔性手指关键部件及整机传动情况。(2)针对柔性鳍状结构在受力过程中发生平面大变形的问题,提出了基于三梁模型的平面全柔手指和部分柔性手指的理论模型。首先介绍了单梁的链式梁约束模型(CBCM);然后通过对单梁的CBCM模型、节点平衡方程、旋转方程和边界条件的计算,得到了三梁模型的解析解;最后通过对三梁模型,整体的边界条件、旋转方程和端点处的力平衡方程进行分析,得到平面全柔手指和部分柔性手指的数学模型;(3)将该数学模型在MATLAB中进行求解,把所得结果与ANSYS仿真结果、实物变形结果分别进行比较,验证理论模型的正确性;(4)搭建实验平台,利用3D打印技术制作并组装重力反馈的柔性手指实物,并进行实验。首先选择合适的控制及驱动方式;然后将本文设计的重力反馈的柔性手指与普通手指在适应性、最大抓取力及增益效果三个方面分别进行对比。

关键词：重力反馈柔性手指三梁模型鳍状结构

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气动柔性手指的运动分析及其控制研究

气动柔性手指的运动分析及其控制研究

作者：徐生浙江工业大学

学位级别：硕士

气动人工肌肉作为一种新型的气动执行器(或驱动器),由于可以直接驱动、结构简单、动作灵活、易于控制、功率/重量比大等特点,国内外众多学者对其进行了大量的研究工作,在机器人领域的研究和应用有了较大的进展,并取得了初步的成效。气... 详细信息

气动人工肌肉作为一种新型的气动执行器(或驱动器),由于可以直接驱动、结构简单、动作灵活、易于控制、功率/重量比大等特点,国内外众多学者对其进行了大量的研究工作,在机器人领域的研究和应用有了较大的进展,并取得了初步的成效。气动柔性驱动器FPA采用橡胶管内嵌螺旋钢丝结构,除了具有典型人工肌肉驱动器的特点外,比较之下,其刚性要好得多。基于FPA,设计了气动柔性弯曲关节、并在此关节的基础上,设计了三关节柔性手指。本文分析了柔性手指的特性,建立了动力学模型,给出了手指的运动学方程的求解,对冗余手指逆向运动的解进行了优化。研究了人类手指的结构及其运动过程,根据理论分析和实验结果推导得出人类手指的运动规律,并根据这个规律对柔性手指的运动轨迹进行规划。根据神经网络理论,利用BP算法设计了神经网络控制器,对手指的运动进行控制,使其按预期规划轨迹运动。对手指的轨迹规划和运动控制进行了实验研究,利用数据手套对手指关节的弯曲角度进行反馈,以实现手指末端的位置检测。实现了模拟人类手指运动目的,为以后的多指灵巧手研究打下了基础。

关键词：气动柔性弯曲关节柔性手指神经网络控制

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一种柔性手指的建模研究

机械设计与制造工程 2002年第6期31卷 39-40,43页

作者：陈刚张立彬杨庆华阮健浙江工业大学机电工程学院浙江杭州310032

提出了一种新型的气动弯曲关节。用这种弯曲关节构造了一个柔性仿生手指。建立了手指的静态模型,实验证明了该模型的正确性。给出了手指的动态模型,仿真结果表明,手指具有很好的动态特性。提出了一种设计仿生多指手的新的方法。

关键词：柔性手指机械手建模

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气动柔性手指的位置检测系统设计

计算机测量与控制 2008年第6期16卷 772-773,784页

作者：徐生鲍官军杨庆华浙江工业大学工智能机械制造及自动化省部共建教育部重点实验室浙江杭州310032 浙江工商职业技术学院

基于气动柔性弯曲关节,设计了三关节气动柔性手指,针对该手指指尖位置检测和控制的需要,设计了基于PSD的指尖位置检测系统;在气动柔性手指指尖上安装一个点光源,与手指平行设置一块PSD光敏面,手指指尖运动轨迹通过点光源反映在PSD光敏面... 详细信息

基于气动柔性弯曲关节,设计了三关节气动柔性手指,针对该手指指尖位置检测和控制的需要,设计了基于PSD的指尖位置检测系统;在气动柔性手指指尖上安装一个点光源,与手指平行设置一块PSD光敏面,手指指尖运动轨迹通过点光源反映在PSD光敏面上,PSD将光源轨迹转换成电流信号.通过调理电路将电流转换成电压信号并放大,用PCI-1711数据采集卡采样电压信号,通过软件处理计算出手指指尖的位置和运动轨迹;实验表明在保证手指安装位置精度的条件下,能够得到比较精确的结果。

关键词：柔性手指位置 PSD 检测系统

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模糊PID在柔性手指控制系统中的应用

机电元件 2021年第6期41卷 60-61,64页

作者：高宇轩陈东华李梦洁哈尔滨商业大学轻工学院黑龙江哈尔滨150028 内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古锡林郭勒027300

根据仿人气动柔性手指的特点,合适的控制系统可以提高对柔性手指的控制速度和精度。选择模糊PID控制作为控制系统,对模糊PID控制器进行设计。对所设计的模糊PID控制器,进行控制性能分析,建立控制系统模型,利用Simulink和COMSOL对柔性手... 详细信息

根据仿人气动柔性手指的特点,合适的控制系统可以提高对柔性手指的控制速度和精度。选择模糊PID控制作为控制系统,对模糊PID控制器进行设计。对所设计的模糊PID控制器,进行控制性能分析,建立控制系统模型,利用Simulink和COMSOL对柔性手指系统进行联合仿真分析,探究所设计的模糊PID控制器的控制效果。

关键词：柔性手指模糊PID Simulink COMSOL