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柔性驱动在实现双激振器自同步中的作用

矿山机械 2001年第11期29卷 51-52页

作者：吕景林王群力马建敏西安理工大学陕西710048

通过对非同一平而内双激振器激振系统运动方程的求解和分析，讨论了柔性驱动对实现激振器自同步的作用。其正确性在单管振动磨机上得到了验证。

关键词：偏心激振器自同步力学模型柔性驱动

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柔性驱动对转子碰摩运动特性的影响

噪声与振动控制 2006年第1期26卷 15-17页

作者：马建敏吕景林杨万东复旦大学力学与工程科学系上海200433

建立了柔性驱动转子系统的动力学方程,通过求解方程得到了柔性驱动器的扭转响应和转子与定子碰摩后的冲击角加速度响应。讨论分析了柔性驱动在控制转子碰摩运动中的作用,发现转子的冲击角加速度随柔性驱动器扭转刚度的增大而增大,随柔... 详细信息

建立了柔性驱动转子系统的动力学方程,通过求解方程得到了柔性驱动器的扭转响应和转子与定子碰摩后的冲击角加速度响应。讨论分析了柔性驱动在控制转子碰摩运动中的作用,发现转子的冲击角加速度随柔性驱动器扭转刚度的增大而增大,随柔性驱动器扭转刚度的减小而减小,说明在转子系统其他参数不变的情况下, 可通过调整柔性驱动器的扭转刚度以达到提高转子运动稳定性的目的。

关键词：振动与波柔性驱动转子系统碰摩运动冲击角加速度

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柔性驱动式无阀压电泵的设计与试验研究

柔性驱动式无阀压电泵的设计与试验研究

作者：刘海东浙江师范大学

学位级别：硕士

为了进一步提升无阀压电泵的输出性能,提出一种柔性驱动式无阀压电泵,简称柔性无阀压电泵。通过三个柔性驱动单元的协同动作,压电泵在入口和出口处产生流阻差进而实现流体的单向泵送,工作过程中不存在单向截止的阀片且流道不完全闭合,... 详细信息

为了进一步提升无阀压电泵的输出性能,提出一种柔性驱动式无阀压电泵,简称柔性无阀压电泵。通过三个柔性驱动单元的协同动作,压电泵在入口和出口处产生流阻差进而实现流体的单向泵送,工作过程中不存在单向截止的阀片且流道不完全闭合,因此将该压电泵定义为无阀压电泵。柔性驱动单元由压电振子、介质腔和柔性薄膜构成,柔性驱动单元通过介质腔实现液力位移放大,这可以实现高的输出性能。柔性薄膜作为位移输出机构使得压电泵获得柔性驱动效果,这可以减少对输送液体的损害。因此柔性无阀压电泵特别适合于输送具有活性组织的溶液和粘度较高的溶液。从理论和试验两个方面对柔性无阀压电泵进行了研究,具体内容如下:1.利用Comsol仿真软件对压电振子和柔性薄膜进行了模态分析,获得了压电振子和柔性薄膜不同模态的振型和固有频率;对柔性薄膜的振动进行了理论分析,为确定合理的约束条件和驱动参数提供了参考。2.根据柔性驱动单元的结构,建立柔性驱动单元的动力学模型并推导了其位移放大倍数方程,获得了影响其位移放大倍数的相关因素。为了了解柔性驱动单元的位移放大机理,利用Comsol仿真软件建立了柔性驱动单元的流固耦合模型,获得了柔性薄膜厚度对柔性驱动单元输出性能影响的规律。为了验证仿真的正确性,搭建了柔性驱动单元的试验测试系统,并进行试验研究。试验结果与理论分析和仿真分析结果一致,并根据试验结果确定了柔性薄膜的厚度以及流体介质注入量的范围。3.设计了柔性无阀压电泵的结构,并提出了全异步、半异步两种驱动方式。分析了柔性无阀压电泵全异步驱动方式和半异步驱动方式的工作原理。利用流体电路模型对柔性无阀压电泵的输出性能进行了理论分析,给出了全异步驱动方式和半异步驱动方式理论输出流量和理论输出压力的计算公式,获得了影响柔性无阀压电泵输出性能的相关因素。4.搭建了柔性无阀压电泵输出性能测试系统并进行了试验研究。通过对全异步驱动方式下的试验获得了驱动频率和驱动电压对柔性无阀压电泵输出性能的影响规律,并找到了流体介质注入量的较优解;通过对半异步驱动方式下的试验获得了驱动频率和驱动电压对柔性无阀压电泵输出性能的影响规律,并找到了流体介质注入量的较优解。进一步地,利用柔性无阀压电泵进行了泵送血液和甘油溶液的试验测试,验证了柔性驱动的可行性及优势。

关键词：压电无阀泵柔性驱动液力放大

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柔性驱动的刚柔一体化仿生机器鱼研究

柔性驱动的刚柔一体化仿生机器鱼研究

作者：刘丽红沈阳理工大学

学位级别：硕士

近年来,为了改善机器人在液体环境中的性能,人们对模仿自然的方向越来越感兴趣。这主要是由于仿生技术和传统的螺旋桨驱动技术相比具有更大前景。目前设计用于实现鱼类游动的仿生技术具有相似的特征,所需的连续身体波动是使用冗余操纵... 详细信息

近年来,为了改善机器人在液体环境中的性能,人们对模仿自然的方向越来越感兴趣。这主要是由于仿生技术和传统的螺旋桨驱动技术相比具有更大前景。目前设计用于实现鱼类游动的仿生技术具有相似的特征,所需的连续身体波动是使用冗余操纵器肋型的脊椎来实现的。为此,本文针对柔性驱动的仿生机器鱼运动机理、驱动方式及系统结构进行了研究。首先对仿生机器鱼的推进模式、驱动机理等进行研究,确定仿生机器鱼的驱动方式和游动模式。基于生物学对鱼类的形态分析进行仿生机器鱼的整体设计。提出肋型腔结构的尾部模型,并针对柔顺性和连续性为设计目标,通过流体驱动方案和液压式驱动泵的工作原理实现柔性驱动鱼体的复杂运动。其次,基于BCF(身体和/或尾鳍推进)模式的鱼体运动学分析及游动机理分析,对柔性尾部驱动器的变形机理进行分析,构建了鱼尾偏转角度的数学模型。通过ANSYS软件对肋型腔鱼尾的三维模型进行弯曲性能仿真分析,将数值模拟中载荷施加的不同情况时弯曲角度的变化情况与数学模型的计算结果进行比较研究,验证该鱼尾的构型的正确性。再次,建立了超弹性体材料的本构模型,利用FLUENT对鱼体三维模型进行水动力分析,根据不同时刻下的流场压力云图和涡量图分析鱼体的水动力特性。对不同攻角下的胸鳍在流场内的模拟仿真,分析了不同攻角下的升力和阻力,及相应的升力和阻力系数的变化情况,分析胸鳍攻角对鱼体水动力性能的影响。最后,针对本文中的肋型腔结构,设计一种可以实现模型一体成型的模具。采用硅胶铸造和失蜡工艺的制造方法,完成肋型腔柔性鱼尾的制作,搭建通过柔性鱼尾驱动器实现连续运动刚柔一体化仿生机器鱼系统。并进行了不同压强所下的弯曲试验,验证了柔性驱动器的有效性和鱼尾数学模型及仿真分析的正确性。

关键词：肋型腔鱼尾柔性驱动水动力分析仿生机器鱼

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柔性驱动康复机械手控制系统的设计与实现

柔性驱动康复机械手控制系统的设计与实现

作者：吴君斌哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

手是人体最重要的运动和感知器官之一,而人手部受伤导致手部功能丧失,将会对生活带来极大的不便。因此,进行康复机械手的研究与设计,将会大大提高人民的生活质量。其中康复机械手的控制系统主要负责康复机械手的运动和决策,使康复机械... 详细信息

手是人体最重要的运动和感知器官之一,而人手部受伤导致手部功能丧失,将会对生活带来极大的不便。因此,进行康复机械手的研究与设计,将会大大提高人民的生活质量。其中康复机械手的控制系统主要负责康复机械手的运动和决策,使康复机械手在带动患者的手进行康复训练时,不仅能够保证患者的安全,又能提高康复效果。柔性驱动康复机械手通过钢丝来控制机械手从而带动患者的手运动,能够充分的考虑到机械手与人手之间的耦合性。本文主要针对一种柔性驱动康复机械手进行控制系统设计。在康复机械手控制系统设计过程中,本文先后进行运动控制系统方案设计,人手运动机理研究,机械手运动学分析,语音识别算法设计以及系统集成实验。本文首先运用自动化技术进行康复机械手的运动控制系统设计,运动控制系统是实现康复机械手运动并进行康复训练的前提,是康复机械手实现基本功能的保证。本文根据柔性驱动康复机械手的特性进行分析,根据该机械手的特性进行运动控制系统的方案设计。在完成方案设计之后,本文进行相应的设备选型和硬件设计。然后,本文在康复机械手控制系统设计要求的基础上,对运动控制系统进行软件功能设计分析。由于康复机械手的作用对象是人手,本文需要对人手运动机理进行研究。在分析人手运动机理的过程中,本文重点研究人手在自然抓握过程中各手指的角度变化关系与运动轨迹。在传统方法中仅针对食指进行运动轨迹检测,而本文将提出一种基于图像处理的多手指运动轨迹测量方法。本文设计一种带有条形标志的标签,通过图像处理的方式检测该标签之前的角度关系从而间接检测人手在自然抓握过程中各个手指关节的角度关系,并实现多手指关节角度关系检测。由此,便能够根据机器人运动学的知识表示出人手自然抓握过程中手指坐标下任意一点的位置。在进行康复训练时,康复机械手大部分时间处于运动状态,并带动患者的手进行康复运动。因此,对康复机械手进行运动学分析将会对控制系统的控制方案设计起到指导性作用。本文通过在康复机械手上标记若干关键标记点,通过拍摄康复训练过程中的各个图像,根据图像中关键标记点的像素坐标来计算康复机械手各个时刻的关节姿态,从而计算出该康复机械手控制输入量与机械手各个关节角度的变化关系。使用该方法获得的输入量与各个关节角度的变化关系,可以为康复机械手的控制方式提供控制依据。在进行康复训练的过程中,若能够引入主动康复模式,根据患者的主动意识来控制机械手的运动,不仅能够使患者更加积极的参与到康复训练的过程中,而且能够促进手部运动功能区的恢复,极大提高康复效果。本文采用语音识别技术,根据患者输出的语音指令来获取患者的主动意识,从而控制康复机械手进行康复训练。其中,在语音识别算法设计中,本文采用深度学习理论知识,使用GRU序列模型对语音信号进行识别判断并实现分类。最后,本文基于上述研究,进行康复机械手的控制系统集成实验。本文使用MFC编程框架编写Windows应用程序作为康复机械手控制系统的上位机软件。该上位机软件中,嵌入了语音识别算法,具有被动训练康复模式和主动训练康复模式,患者可以根据需要进行康复训练模式选择。

关键词：康复机械手控制系统柔性驱动

柔性驱动手功能康复机器人控制系统的研究与实现

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柔性驱动手功能康复机器人控制系统的研究与实现

作者：刘洪梅上海师范大学

学位级别：硕士

脑卒中患病率高,是导致手功能受损的主要原因,对手部偏瘫患者的康复治疗已经成为现代康复医学和康复工程的研究热点。目前国内外主要通过肌肉强度锻炼,完成运动学习来复原或改善患手的运动功能。在各种手功能康复方法中,机器人辅助康复... 详细信息

脑卒中患病率高,是导致手功能受损的主要原因,对手部偏瘫患者的康复治疗已经成为现代康复医学和康复工程的研究热点。目前国内外主要通过肌肉强度锻炼,完成运动学习来复原或改善患手的运动功能。在各种手功能康复方法中,机器人辅助康复疗法被广泛采用。手功能康复机器人的主要任务是辅助患者手部关节及手指完成屈曲/伸展运动。柔性驱动手功能康复机器人的手套具有质量轻、与人手的贴合度高的特点,近年来国内外研究人员对此进行大量研究,但其因缺少机械结构,导致运动传递不准确、控制难度较高。本文主要针对一种柔性驱动手功能康复机器人控制系统进行研究,充分考虑到手功能康复机器人和人手之间的耦合性。通过控制鲍登线的伸长量来控制软体康复手套,从而带动患者的手完成手指关节的屈曲/伸展训练,并且可在指尖产生足够的指尖力来协助患者完成日常抓握动作,可以提高手功能障碍患者康复训练效果。本文的工作主要如下:(1)设计了柔性驱动手功能康复机器人控制系统的总体方案。对已有的手功能康复机器人本体,进行了硬件系统和软件系统的设计与优化。(2)手功能康复机器人运动学分析。利用三维运动捕捉系统记录手功能康复机器人运动轨迹得到各手指掌指关节和指尖坐标,由坐标计算得到各个时刻的手指弯曲角度。利用鲍登线伸长量和手指弯曲角度数据,通过系统辨识建立手功能康复机器人数学模型。(3)设计了基于滑模控制算法的手功能康复机器人位置控制器,保证系统的稳定性。针对滑模控制带来的抖振问题,采用在线自适应方法调整滑模控制项的增益参数,削弱了滑模控制方法导致的抖振。MATLAB仿真结果表明所设计的控制器可以达到康复医学和设计时提出的准确性。(4)基于柔顺控制理论,研究了基于位置闭环的阻抗控制算法。在已有的位置控制器上,增加阻抗控制外环,处理实际力与期望力的差值得到位置修正量,通过位置控制器跟踪期望的位置,实现抓握力的控制。MATLAB仿真结果表明,该方法具有可靠的力跟踪能力。(5)搭建实验平台,进行位置控制实验和抓握力控制实验。实验结果表明,在自适应滑模位置控制下手指弯曲角度稳态精度可达2°,系统的上升时间可达0.47s;在基于自适应滑模位置控制的阻抗控制下,手指抓握力稳态精度可达0.6N,系统上升时间可达0.27s。验证了该控制系统精度高、响应快,具有良好的鲁棒性。该柔性驱动手功能康复机器人控制系统不仅会增强手功能运动障碍患者的康复效果,加快康复进程,还将推动康复领域事业的发展,更好地解决人机交互问题,让科技真正的为人们的生活服务。

关键词：手功能康复柔性驱动滑模控制力控制鲁棒性

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IPMC柔性驱动材料研究进展

现代化工 2022年第4期42卷 48-52页

作者：田爱芬孙悦王茜茜李佳华张新荣王洪彦西安科技大学材料科学与工程学院陕西西安710054 长安大学工程机械学院陕西省高速公路施工机械重点实验室陕西西安710054 陕西科技控股集团有限责任公司陕西科控技术产业研究院有限公司陕西西安710077

详细介绍了IPMC作为柔性驱动材料的研究进展,描述了IPMC的研究背景及驱动机理,对不同的制备工艺方法进行了详细的分析与对比,对改善IPMC性能的方法进行分类描述,总结了提高IPMC驱动性能的方法,最后对IPMC的应用做了全面的总结,并展望了I... 详细信息

详细介绍了IPMC作为柔性驱动材料的研究进展,描述了IPMC的研究背景及驱动机理,对不同的制备工艺方法进行了详细的分析与对比,对改善IPMC性能的方法进行分类描述,总结了提高IPMC驱动性能的方法,最后对IPMC的应用做了全面的总结,并展望了IPMC的研究趋势。

关键词：离子聚合物金属复合材料智能材料柔性驱动

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基于DEAP的仿生机器鱼柔性驱动控制研究

基于DEAP的仿生机器鱼柔性驱动控制研究

作者：张东驰北京理工大学

学位级别：硕士

仿生机器人的传统驱动方式有电机、液压等,其缺点也显而易见,比如能量转换效率较低、噪声大、体积大,所以驱动方式的柔性化是研究趋势。本文应用了一种柔性驱动材料DEAP,为仿生机器鱼设计了柔性关节驱动器,并拟合鱼体波方程,对机器鱼进... 详细信息

仿生机器人的传统驱动方式有电机、液压等,其缺点也显而易见,比如能量转换效率较低、噪声大、体积大,所以驱动方式的柔性化是研究趋势。本文应用了一种柔性驱动材料DEAP,为仿生机器鱼设计了柔性关节驱动器,并拟合鱼体波方程,对机器鱼进行运动学与动力学分析,最终运用有效的控制策略对机器鱼进行控制。首先基于DEAP材料设计了驱动机构,利用DEAP材料设计了直线位移驱动器,又在此基础上设计了转动关节驱动器,并拟合鱼体波方程,以机器鱼关节与鱼体波曲线之间的误差面积为目标函数,最终得到最优关节比例。其次,对直线位移驱动器建立数学模型,分析其输入电压,形变位移与输出张力之间的关系。以此为基础,对关节转动驱动器进行模型分析,给出关节转动驱动器的输入电压,位移量与输出力矩之间的关系,为机器鱼的控制提供模型参考。然后对仿生机器鱼进行运动学分析,分析仿生机器鱼的仿鱼游动过程(拟合鱼体波运动方程),获取各个关节的角度值,角速度值与角加速度值;并以此为基础,得到各个关节点的线速度值,分析水阻力矩,然后根据计算得到的仿生机器鱼动力学参数值,进行动力学分析,得到仿生机器鱼游动所需的关节驱动力矩,作为机器鱼驱动控制的给定量。最后研究了仿生机器鱼关节驱动控制研究,研究了两种控制方法:1.基于逆补偿的前馈PID控制,将得到的关节角度值作为系统输入,由关节驱动力矩逆补偿得到的输入电压信号作为前馈信号,仿真结果误差在5%以内;2.自抗扰控制器,将系统的迟滞性等非线性因素看作系统扰动处理,采用线性自抗扰策略对仿生机器鱼进行控制,仿真结果误差在6%左右。表明两种方法取得了较好的控制效果。

关键词： DEAP 柔性驱动机器鱼动力学分析逆补偿自抗扰控制

可穿戴变刚度柔性驱动肘关节的设计与性能分析

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可穿戴变刚度柔性驱动肘关节的设计与性能分析

作者：刘荣中北大学

学位级别：硕士

近年来,康复型、服务型机器人市场需求迎来爆发式增长,该类型机器人与用户身体直接接触,其响应速度、人机交互安全性、灵活性以及舒适性等性能要求极高,其中能否适应非结构化或未知环境是此类机器人优先考虑的问题。在这种情况下,传统... 详细信息

近年来,康复型、服务型机器人市场需求迎来爆发式增长,该类型机器人与用户身体直接接触,其响应速度、人机交互安全性、灵活性以及舒适性等性能要求极高,其中能否适应非结构化或未知环境是此类机器人优先考虑的问题。在这种情况下,传统的刚性驱动关节具有一定的安全隐患。变刚度柔性驱动关节区别于传统的刚性驱动关节,其在非结构化环境适应性方面优势更为显著,同时也能够保障人机协同工作中人体的安全性,更为准确的理解运动意图,完成复杂多变的任务。本文针对现有的变刚度柔性驱动关节结构复杂、刚度调节性能不足、适用性差等问题,结合改变弹性体特征、机械机构控制两种变刚度原理,提出一种变刚度柔性驱动肘关节并展开以下研究:首先,基于零长度机架平面四杆机构的传动原理,提出关节的刚度调节原理,通过改变相对耦合角度、柔性单元分支数以及弹性元件物理特征实现关节的刚度变化,并建立其刚度、扭矩模型。在此基础上,根据仿生关节的设计要求,对变刚度柔性驱动机构进行可重构性设计,衍生出12种机构配置方案,详细阐述了不同配置方案机构的变刚度特性。将所提出的变刚度柔性驱动机构集成在肘关节当中,综合设计可穿戴变刚度柔性驱动肘关节的总体结构。其次,基于以上设计基础,利用拉格朗日动力学方程,对其进行动力学建模,并且分析系统的频率特性。利用Adams进行动力学仿真,分析不同弹性元件、不同配置方案、柔性单元不同预紧力三种情况下关节输出力矩特性以及系统不同频率响应,进一步揭示其工作性能,同时验证了理论设计的正确性。最后,为了进一步验证可穿戴变刚度柔性驱动肘关节的理论设计和特性,根据实验要求选择相关元器件,搭建实验平台,进行关节输出扭矩、刚度辨识、位置阶跃特性以及储能特性实验。通过分析实验数据,进一步验证了变刚度柔性驱动关节理论模型的正确性,并且揭示了变刚度柔性驱动肘关节的输出力矩、刚度的性能变化特性,以及机构的位置追踪、储能特性。

关键词：可穿戴变刚度柔性驱动肘关节性能分析