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软体机械手遥操作系统的设计与分析

中国机械工程 2020年第16期31卷 1968-1977页

作者：姚建涛陈新博陈俊涛魏纯杰张帅李海利赵永生燕山大学机械工程学院秦皇岛066004

面向气动软体机械手在远程非结构化环境下作业的工作需求,搭建了软体机械手遥操作系统。基于“快速气动网络”及模块化可拆卸原则,设计制作了软体弯曲致动器,根据实验需要组装成仿人手形软体机械手。在Yeoh模型基础上建立了软体致动器... 详细信息

面向气动软体机械手在远程非结构化环境下作业的工作需求,搭建了软体机械手遥操作系统。基于“快速气动网络”及模块化可拆卸原则,设计制作了软体弯曲致动器,根据实验需要组装成仿人手形软体机械手。在Yeoh模型基础上建立了软体致动器的力学模型并借助仿真分析加以修正,为软体致动器的控制提供了理论依据。设计了遥操作系统的总体结构,提出了气动软体机械手的驱动模式与控制策略,在C#窗体应用程序中开发了客户端软件。基于蒙皮技术在3D Max软件中对软体致动器进行建模,在Unity3D中搭建了虚拟作业场景,通过脚本程序设计实现远地端反馈信息对软体末端的运动控制和对目标对象的碰撞与拾取。开展软体致动器弯曲角度与充气气压实验,验证分析力学模型的准确性;开展遥操作手势映射实验,分析与探讨软体机械手遥操作系统的可行性及其进一步研究与应用。

关键词：软体机械手遥操作力学建模手势映射

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软体机械手研究综述

机械工程学报 2017年第13期53卷 19-28页

作者：张进华王韬洪军王煜西安交通大学制造系统工程国家重点实验室西安710049 香港科技大学机械与航空航天工程系香港999077

软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性,软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点,受到国内外学者和机构的广泛研究,并表现出良好的应用前景。综... 详细信息

软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性,软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点,受到国内外学者和机构的广泛研究,并表现出良好的应用前景。综述了软体机械手的应用领域、驱动方式、材料与制造、建模与控制的相关问题,并梳理了软体机械手研究中依旧存在的问题和可能的解决方案以及软体机械手的发展趋势。软体机械手是软体机器人领域的一个重要分支,其研究涉及材料学、力学、化学、机械设计与制造、电子与控制科学以及仿生学等诸多领域的交叉和融合。对软体机械手的研究将极大丰富人们对柔性材料的复杂、丰富特性的理解,也将为更好地把柔性材料融入产品的设计提供理论和技术指导。

关键词：软体机械手软体机器人人机交互柔性材料

PDMS/PTFE限制层材料软体机械手设计与性能试验

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农业机械学报 2023年第10期54卷 441-449页

作者：朱银龙杨梓康赵虎王旭刘英南京林业大学机械电子工程学院南京210037

为抑制软体驱动器弯曲过程中的不必要变形,提高软体机械手抓取能力,提出一种限制层材料为PDMS和PTFE混合制备的软体机械手。通过调整PDMS和PTFE之间的质量比来改变限制层刚度,进而改变软体机械手的弯曲角度。考虑到软体机械手工作时,应... 详细信息

为抑制软体驱动器弯曲过程中的不必要变形,提高软体机械手抓取能力,提出一种限制层材料为PDMS和PTFE混合制备的软体机械手。通过调整PDMS和PTFE之间的质量比来改变限制层刚度,进而改变软体机械手的弯曲角度。考虑到软体机械手工作时,应变层变形远大于限制层,采用Yeoh和Neo-Hookean形式的应变能方程表述应变层和限制层材料力学行为。基于模型和力矩平衡原理建立软体驱动器弯曲角度数学模型,进而研究限制层材料和结构参数对软体机械手弯曲性能的影响。利用单轴拉伸试验获取不同质量比的PDMS和PTFE混合制备的限制层样品应力应变曲线,并拟合获取Yeoh模型材料参数,进而进行有限元仿真分析,确定限制层材料的最佳比例。对不同限制层材料制成的驱动器进行弯曲角度测试,试验结果与理论分析偏差在5%以内,验证了数学模型的准确性。同时,驱动器的末端力测试结果表明,限制层PDMS/PTFE质量比为8∶1的驱动器明显优于纯硅胶软体驱动器,最大末端力可达2.45 N。使用软体机械手对多种物品进行抓取试验,其最大抓取质量达420 g。

关键词：软体机械手驱动器有限元仿真弯曲特性限制层材料 PDMS/PTFE

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多功能软体机械手的设计与建模

机械工程学报 2022年第9期58卷 1-9页

作者：刘佳鹏王江北赵威费燕琼上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

设计了一款新颖的多功能软体机械手,其由两个软体手指和一个软体手腕集成一体。软体手指由四个并联的双向弯曲气动软体驱动器组成;软体手腕主要由一个双轴双向弯曲气动软体驱动器构成,软体手指、软体手腕协同动作,可以实现软体机械手的... 详细信息

设计了一款新颖的多功能软体机械手,其由两个软体手指和一个软体手腕集成一体。软体手指由四个并联的双向弯曲气动软体驱动器组成;软体手腕主要由一个双轴双向弯曲气动软体驱动器构成,软体手指、软体手腕协同动作,可以实现软体机械手的多方位、多任务操作。根据软体机械手所需运动范围和抓取力确定了软体机械手的尺寸参数。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了上述两个双向弯曲软体驱动器的欧拉梁弯曲模型和悬臂梁弯曲模型,获得了双向弯曲软体驱动器弯曲曲率、弯曲力矩和充气气压三者之间的解析表达式,以及双向弯曲软体驱动器受到载荷时的弯曲变形曲线,通过双向弯曲软体驱动器的自由弯曲试验和弯曲变形试验验证了上述模型的正确性。通过软体机械手的闭合抓取试验和张开提起试验说明了软体机械手的实用性。

关键词：软体机械手双向弯曲软体驱动器欧拉-伯努利梁理论建模

基于液-气转化机制软体机械手的设计与位置控制

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机械工程学报 2022年第18期58卷 205-217页

作者：孙敏洁陈松雨李军锋黄永安武汉理工大学机电工程学院武汉430070 华中科技大学机械科学与工程学院数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074

针对现有软体机械手存在形变模型不准确、操作空间小和位置控制精度低等问题,设计出一种液-气相变驱动三关节软体机械手并进行了相应的形变改进模型分析与运动控制试验。建立一种考虑温度与材料自重因素的硅胶形变非线性力学模型且基于... 详细信息

针对现有软体机械手存在形变模型不准确、操作空间小和位置控制精度低等问题,设计出一种液-气相变驱动三关节软体机械手并进行了相应的形变改进模型分析与运动控制试验。建立一种考虑温度与材料自重因素的硅胶形变非线性力学模型且基于该模型完成了机械手的弯曲性能分析,建立三关节机械手末端操作空间的数学模型。而后基于传统刚性机械手的运动学逆解算法,提出一种基于最小驱动能量函数的运动学逆解方法来确定机械手各关节的弯曲角度。通过最小驱动能量函数并利用神经网络算法策略实现了三关节软体机械手末端轨迹的稳定控制,其相对位置距离偏差小于2.8%。通过充分的试验和理论分析,为液-气相变转化驱动软体机械手的后期实际应用提供了理论支撑。

关键词：软体机械手液-气相变驱动器位置控制

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液态金属柔性感知的人机交互软体机械手

中国机械工程 2021年第12期32卷 1470-1478页

作者：刘会聪杨梦柯袁鑫孙立宁金国庆苏州大学机电工程学院苏州215000 江苏省先进机器人技术重点实验室苏州215000

利用3D打印技术制作了基于液态金属微流道的应变传感器和弯曲传感器,并将应变传感器集成至人体传感手套,用于人手的手势检测;将弯曲传感器集成至软体机械手,用作软体机械手的姿势及运动控制,通过传感手套控制软体机械手实现了人机交互... 详细信息

利用3D打印技术制作了基于液态金属微流道的应变传感器和弯曲传感器,并将应变传感器集成至人体传感手套,用于人手的手势检测;将弯曲传感器集成至软体机械手,用作软体机械手的姿势及运动控制,通过传感手套控制软体机械手实现了人机交互。实验证明传感手套不仅能控制软体机械手的姿势,还能精确控制每根软体手指的弯曲程度。

关键词：软体机械手液态金属柔性传感器人机交互

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软体机械手研究现状及其应用

制造业自动化 2019年第5期41卷 85-92页

作者：李雪房善想陈爽张勤俭北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 江西理工大学赣州341000

机械手与抓持对象直接接触,其性能好坏对机器人的工作效率有着至关重要的影响。软体机械手凭借结构柔软度高、多自由度和连续变形能力等优势,得到了国内外研究学者的广泛关注。根据近年来国内外软体机械手的发展情况,综述了软体机械手... 详细信息

机械手与抓持对象直接接触,其性能好坏对机器人的工作效率有着至关重要的影响。软体机械手凭借结构柔软度高、多自由度和连续变形能力等优势,得到了国内外研究学者的广泛关注。根据近年来国内外软体机械手的发展情况,综述了软体机械手的材料与制造技术、气动驱动软体机械手的类型和特点、刚度可变软体机械手的种类,最后介绍了软体机械手的应用领域,并对软体机械手的发展趋势进行了展望。

关键词：软体机械手制造技术气动驱动刚度可变

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鳍条效应软体采摘机械手建模与试验

应用力学学报 2022年

作者：易伯阳周俊张震江自真张保华南京农业大学工学院

针对现有鳍条效应软体手指建模分析方法难以兼顾高精度与小运算量的问题，本文以课题组设计的苹果采摘软体机械手为对象，在观察软体手指变形的基础上，提出将鳍条效应软体手指等效为串连铰链四杆机构；运用虚功原理推导了给定变形状态... 详细信息

针对现有鳍条效应软体手指建模分析方法难以兼顾高精度与小运算量的问题，本文以课题组设计的苹果采摘软体机械手为对象，在观察软体手指变形的基础上，提出将鳍条效应软体手指等效为串连铰链四杆机构；运用虚功原理推导了给定变形状态下软体手指各处接触力与驱动力矩计算方法；提出用线弹性扭簧模型描述变形恢复力矩，利用改进的粒子群算法求解各级四杆机构扭簧劲度系数；基于有限元模型，结合二次开发建立了给定关节转角和充气压力下驱动力矩的BP神经网络静态模型。搭建实验平台对三个不同大小的仿真苹果在三个不同高度位置下进行抓取力测量实验，实验结果表明，所建立的力学模型计算抓取力相对误差绝对值小于8.6%，与有限元模型精度相当；驱动力矩测量试验结果表明关节神经网络模型计算值与测量值变化趋势相同，相对误差小于12.7%。该模型可以为鳍条效应软体采摘机械手抓取力控制提供理论基础。

关键词：软体机械手鳍条效应虚功原理有限元分析粒子群算法

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软体机械手的设计与实验研究

软体机械手的设计与实验研究

作者：李雪北京交通大学

学位级别：硕士

随着现代科技的发展,机器人越来越多地应用于物流仓库中自动分拣物品。而机械手作为与抓持对象直接接触的执行装置,对工作效率有着至关重要的影响。传统的机械手缺乏灵活性和复杂环境适应性,且人机交互性差,难以适应新的生产需求。因此... 详细信息

随着现代科技的发展,机器人越来越多地应用于物流仓库中自动分拣物品。而机械手作为与抓持对象直接接触的执行装置,对工作效率有着至关重要的影响。传统的机械手缺乏灵活性和复杂环境适应性,且人机交互性差,难以适应新的生产需求。因此,本文设计了一种新型的气动软体机械手,其结构柔软度高,且具备连续变形的能力,可以在狭窄且杂乱的环境中,进行稳定的抓取。具体的研究内容如下:设计了一种新型的气动软体机械手。其采用了具有创新型结构的带有气腔的驱动节和起到定位作用的实心节的组合,内部腔室设计为六边形,通过对底部添加具有约束作用的应变限制层,产生差别应变,使得软体机械手可以实现双向弯曲,扩大了抓取范围。分析了影响软体机械手弯曲半径的设计因子的显著性。建立了单个软体机械手手指的有限元模型,并通过二阶超弹性材料的Yeoh模型描述其非线性特性。分析了壁厚S1、手指宽度W和两外壁之间距离d这三个显著设计因子对软体机械手弯曲性能影响的程度。提出了一个可以描述软体机械手输入气压和弯曲角度之间关系的数学模型。该模型融合了软体机械手的运动学和动力学。以分段常曲率模型为理论依据,推导出软体机械手的运动学模型。并且在拉格朗日力学的基础上,分析了软体机械手的动能、弹性势能等,得到软体机械手的动力学模型。完成了软体机械手的制造。并且,搭建了软体机械手的气动回路与实验平台,通过实验验证了输入气压和弯曲角度的数学模型的正确性。并对软体机械手进行了大量的抓取实验,结果表明,本文设计的软体机械手是有效的。最终,通过理论和实验证明了软体机械手在密集且狭窄的空间内可以进行精准、稳定的抓取。

关键词：软体机械手气动弯曲特性数学建模抓取性能