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可控三维运动的软体驱动器仿真与试验

机械工程学报 2018年第21期54卷 11-18页

作者：谢哲新龚哲元王田苗文力北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京航空航天大学沈元荣誉学院

介绍一种多自由度,可以在空间内任意运动的三维软材料仿生驱动器。利用有限元分析软件对三维软体驱动器进行了设计优化,针对驱动器制作材料以及气腔截面形状、腔道壁厚进行了有限元仿真分析。通过软体驱动器结构仿真分析,结果表明半圆... 详细信息

介绍一种多自由度,可以在空间内任意运动的三维软材料仿生驱动器。利用有限元分析软件对三维软体驱动器进行了设计优化,针对驱动器制作材料以及气腔截面形状、腔道壁厚进行了有限元仿真分析。通过软体驱动器结构仿真分析,结果表明半圆形腔道软体驱动器能提供更高的变形气压和刚度,而环形腔道则能给软体驱动器带来较低的变形气压和柔性。三维软体驱动器使用较高硬度材料、半圆形腔道能够在给定气压下获得更大的刚性及输出力;低硬度材料、较小壁厚的环形腔道能够在给定气压下获取更好的柔性和灵活性。根据仿真优化结论,制造出在低气压下灵活运动并具有一定载荷能力的软体驱动器模块。为测试软体驱动器模块的性能,设计一系列运动学以及力学试验,包括软体驱动器在气压下的弯曲试验、气压与软体驱动器输出力与刚度的测量试验。最后,通过试验展示了软体臂三维运动以及抓持不同物体的性能。

关键词：模块化软体驱动器有限元分析仿生

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颗粒阻塞软体驱动器承载特性研究

计算机集成制造系统 2022年第2期28卷 339-344页

作者：韩奉林刘伟费磊中南大学机电工程学院湖南长沙410012 中南大学高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410012

颗粒阻塞效应广泛用于提高软体驱动器的承载能力,为了深入研究阻塞态驱动器的承载规律,对颗粒阻塞弯曲软体驱动器的受载变形规律进行实验测试和理论分析。驱动器的受载变形分为弹性变形和塑性变形两个阶段,塑性阶段具有近似线性的应变... 详细信息

颗粒阻塞效应广泛用于提高软体驱动器的承载能力,为了深入研究阻塞态驱动器的承载规律,对颗粒阻塞弯曲软体驱动器的受载变形规律进行实验测试和理论分析。驱动器的受载变形分为弹性变形和塑性变形两个阶段,塑性阶段具有近似线性的应变强化现象,且流动阻力波动较大。增大驱动器内外压差后,弹性系数、屈服力及应变强化程度均显著提升。屈服力和应变强化程度对驱动器承载性能的影响更大,仅考虑颗粒阻塞的变刚度效应是不全面的。同时基于石膏粉末3DP打印技术提出一种新的硅胶型腔消失模制备方法,可提高效率和精度。

关键词：颗粒阻塞软体驱动器承载特性消失模屈服

颗粒流驱动变刚度弯曲软体驱动器的设计及运动仿真

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中国机械工程 2020年第8期31卷 890-897页

作者：韩奉林李鹏李明辉田亮中南大学机电工程学院长沙410012 中南大学轻合金研究院长沙410012 中南大学高性能复杂制造国家重点实验室长沙410012

为提高软体机器人的承载能力,利用颗粒物质兼具流体和阻塞刚化的特性,设计了一种变刚度弯曲软体驱动器。以颗粒物质力学为指导,设计并制造了变刚度弯曲软体驱动器样机。通过试验获得了分别描述颗粒物质和变形腔材料的联合弹塑性模型、Og... 详细信息

为提高软体机器人的承载能力,利用颗粒物质兼具流体和阻塞刚化的特性,设计了一种变刚度弯曲软体驱动器。以颗粒物质力学为指导,设计并制造了变刚度弯曲软体驱动器样机。通过试验获得了分别描述颗粒物质和变形腔材料的联合弹塑性模型、Ogden超弹本构模型,提出了软体驱动器运动过程的有限元仿真方法,搭建了变刚度软体驱动器实验平台。实验与仿真获得的弯角误差约为15.6%,利用颗粒阻塞原理可使承载能力提高约1.75倍。

关键词：软体驱动器颗粒流变刚度阻塞运动仿真

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用于康复训练的分段式气动软体驱动器

浙江大学学报（工学版） 2022年第6期56卷 1127-1134页

作者：刘彩霞潘亭亭孙一帆李帅刘平黄英合肥工业大学物理学院安徽合肥230601 合肥工业大学微电子学院安徽合肥230601

针对手指康复训练中软体驱动器贴合度低、灵活性差、运动传递不准确等问题,基于仿生原理设计分段式气动软体驱动器.通过3个具有锯齿结构半波纹管气囊实现软体驱动器的分段弯曲,嵌入柔性应变传感器实现软体驱动器本体感知.建立半波纹管... 详细信息

针对手指康复训练中软体驱动器贴合度低、灵活性差、运动传递不准确等问题,基于仿生原理设计分段式气动软体驱动器.通过3个具有锯齿结构半波纹管气囊实现软体驱动器的分段弯曲,嵌入柔性应变传感器实现软体驱动器本体感知.建立半波纹管气囊弯曲变形数学模型,借助有限元分析对半波纹管气囊进行分析,研究壁厚、波纹宽度、波距和波纹数目对该气囊弯曲性能和末端输出力的影响,选取软体驱动器尺寸参数.采用3D打印技术及失蜡铸造工艺,制作分段独立驱动的软体驱动器.特性测试结果表明:分段式软体驱动器最大弯曲角度为302°,末端输出力为3.33 N,能够带动手指进行分关节康复训练,内嵌的柔性应变传感器可以实时监测软体驱动器弯曲状态.

关键词：软体驱动器气动式有限元分析柔性应变传感器手指康复

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基于压电振动驱动的快速旋转软体驱动器

科学通报 2020年第32期65卷 3585-3592页

作者：徐聪闫英博刘思雨诸骏刘益伦吴化平浙江工业大学机械工程学院杭州310014 西安交通大学航天航空学院西安710049

软体驱动器由于具有可实现大变形、柔性接触、人体友好等特性,在机器人、生物医学器件、驱动器件等领域具有重要的应用价值.然而,目前的软体驱动器大多基于弯曲、伸缩、扭转等变形形式,无法实现连续旋转运动.本文从无肢动物获得灵感,提... 详细信息

软体驱动器由于具有可实现大变形、柔性接触、人体友好等特性,在机器人、生物医学器件、驱动器件等领域具有重要的应用价值.然而,目前的软体驱动器大多基于弯曲、伸缩、扭转等变形形式,无法实现连续旋转运动.本文从无肢动物获得灵感,提出一种基于压电振动驱动的新型可旋转软体驱动器,通过圆形压电双晶片为硅胶软体结构提供激励力,诱导软体结构底部倾斜触角阵列与地面摩擦产生圆周方向的转矩,驱动该软体结构实现快速旋转运动.结合理论和有限元模拟分析旋转软体驱动器在激励作用下的受力及运动机理,并通过实验研究频率和电压对其旋转性能的影响.结果显示,在压电双晶片产生的激励力作用下,该驱动器可实现连续旋转运动,最高旋转速度可达到118.3 r/min,高于目前报道的软体驱动器的旋转速度,有望应用于驱动机械手和移动机器人等.

关键词：软体驱动器压电双晶片振动旋转运动机制

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关节式内骨骼气动软体驱动器的结构设计

农业工程学报 2019年第15期35卷 17-24页

作者：武兆平李小宁郭钟华南京理工大学机械工程学院

软体驱动器具有优异的柔顺性,能适应不同形状的目标物体,且不易损伤被抓持物。为了在工业流水线上快速安全可靠地抓持诸如水果、精密元器件等不同质量、不同尺寸物体,该文介绍了一种新型关节式内骨骼气动软体驱动器,将驱动与承力功能分... 详细信息

软体驱动器具有优异的柔顺性,能适应不同形状的目标物体,且不易损伤被抓持物。为了在工业流水线上快速安全可靠地抓持诸如水果、精密元器件等不同质量、不同尺寸物体,该文介绍了一种新型关节式内骨骼气动软体驱动器,将驱动与承力功能分解,在保持柔顺性的同时,显著提高了抓持能力。推导了气压驱动下,驱动器的弯曲角度数学模型。以理论模型为基础,分析了驱动器的各项设计参数对弯曲角度的影响。以确定气压下自由端位姿作为输入条件,以驱动器整体质量最小为优化目标,优化了各参数值,并以得到的参数完成了软体驱动器的实物制造与装配,且试验获得了其弯曲角度与弯曲刚度。试验表明在最大工作压力为150 kPa时,总体误差控制在9%以内,证实了所建立驱动器理论模型的正确与有效性。驱动器的弯曲刚度在最大工作压力时达到4.50 N/rad,弯曲刚度得到大幅提高。该软体驱动器具有良好的开发和应用前景。

关键词：设计优化软体驱动器气动内骨骼刚度柔顺性

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软体驱动器研究综述

机械设计 2019年第2期36卷 5-18页

作者：孙沂琳张秋菊陈宵燕江南大学机械工程学院江苏无锡214122 江苏省食品先进制造装备与技术重点实验室江苏无锡214122

软体驱动器具有多变灵活、自适应性强等特点,近几年成为了国内外学者的研究热点。围绕近年来软体驱动器的研究进展及成果,重点分析了软体驱动器各类驱动方式的工作原理与特点。阐述了各类软体驱动器在软体机械手与软体机器人中的研究现... 详细信息

软体驱动器具有多变灵活、自适应性强等特点,近几年成为了国内外学者的研究热点。围绕近年来软体驱动器的研究进展及成果,重点分析了软体驱动器各类驱动方式的工作原理与特点。阐述了各类软体驱动器在软体机械手与软体机器人中的研究现状及在实际应用上存在的不足。综述了软体驱动器主要关键技术的研究进展及目前存在的问题,最后探讨了软体驱动器的发展趋势。

关键词：软体驱动器驱动方式关键技术软体材料

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一种新型螺旋变形软体驱动器建模方法及应用

重庆大学学报 2023年第3期46卷 1-9,102页

作者：李家兴唐先智陈元杰罗继江沛重庆大学机械与运载工程学院重庆400044

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... 详细信息

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。

关键词：软体驱动器常曲率连续变形螺旋扭转变形拉线驱动运动学模型

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三关节式软体驱动器的设计及其弯曲性能分析

工程设计学报 2021年第2期28卷 227-234,254页

作者：王成军李帅深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学人工智能学院安徽淮南232001

针对传统的刚性机器人在辅助人体康复训练时存在康复效率低、易造成人体二次损伤等问题,依据人体手指结构及其关节的运动范围,提出了一种由硅胶材料制成的三关节式软体驱动器。首先,根据Yeoh超弹性材料本构模型和虚功原理,在理想条件下... 详细信息

针对传统的刚性机器人在辅助人体康复训练时存在康复效率低、易造成人体二次损伤等问题,依据人体手指结构及其关节的运动范围,提出了一种由硅胶材料制成的三关节式软体驱动器。首先,根据Yeoh超弹性材料本构模型和虚功原理,在理想条件下建立了软体驱动器气囊的弯曲角度与输入气压之间的非线性数学关系,进而研究在一定气压下驱动器不同结构参数对其弯曲性能的影响;接着,通过有限元模型仿真得出了驱动器壁厚、底层厚度和腔室外直径对驱动器弯曲性能影响的显著性排序;最后,通过3D打印及模塑成型工艺,制作了三关节式软体驱动器,搭建了软体驱动器弯曲性能测试平台以测试其弯曲性能。结果表明:随着输入气压的增大,软体驱动器弯曲角度的理论计算结果与实验结果的相对误差逐渐减小,当气压高于20 kPa时,其最小相对误差为1.48%;当腔室内部气压为50 kPa时,软体驱动器输出力为0.45 N。可将软体驱动器应用于人机交互的辅助康复领域,后期有望应用于农业和生物医学领域。

关键词：软体驱动器气动驱动辅助康复 Yeoh模型有限元分析