针对传统按摩机器人的末端执装置功能单一、柔性不足、形体较大的问题,从中医按摩手法参数出发,利用气动肌肉柔性驱动器,设计一款能够实现按、振手法功能的柔性按摩手爪。掌部是由硅胶材料制成的气囊"触手",根据真空阻塞原理实现气囊的变刚度,并在柔软特性的基础上提高了手掌承载力。基于Yeoh超弹本构模型,对不同壁厚气囊变形进行仿真分析并确定参数值。通过压缩刚度和手法力度测量实验,对手掌气囊的变刚度性能进行测试,得到手法力度与气压的关系,并确定合理的气压范围,为实际使用提供参考。

为解决现阶段柔性驱动器负载能力低、变形范围小等问题,设计并制作一种三自由度气动柔性驱动器,分析其变形机制并通过实验研究增强肌肉对驱动器伸长量、弯曲方向及弯曲角度、驱动力的影响。实验结果表明通过控制驱动器人工肌肉内腔气压,驱动器可以产生轴向伸长和空间0°~360°任一方向弯曲变形;增强肌肉通压对驱动器变形量和驱动力有增幅作用,0.4 MPa气压下驱动器无增强肌肉时伸长率为49%,弯曲角度为68°,轴向驱动力为278 N;有增强肌肉时驱动器伸长率为54%,弯曲角度为77.5°,轴向驱动力为300 N。

软体机器人由于其固有的轻量性和柔顺性,在各个领域受到越来越多的关注,具有广阔的应用前景。另一方面,它具有复杂的结构和非线性特性,给系统建模和控制器设计带来了困难。综合比例阀模型和柔性驱动器的辨识模型,得出总体系统控制模型,设计可实现高精度跟踪的积分鲁棒控制器。通过对柔性驱动器进行轨迹跟踪的对比实验,验证了模型和控制策略的有效性。

针对市场上常见直线驱动器柔性差、重量大的缺点设计研发了一种气动柔性三肌肉轴向驱动器,并对驱动器进行理论分析得出驱动力与气压、伸长量与气压的公式并搭建实验平台对驱动器的公式进行实验校核,分析理论值与实验值的差异并得出结论.研究表明轴向驱动器伸长量不变时,通入气压越大驱动力越大.轴向驱动器通入的气压不变时,伸长量越大驱动力越小.该研究对以后轴向驱动器的控制和使用提供了一定基础.

根据人手指外骨骼关节结构,提出硅胶多腔体仿人柔性关节,设计了一种用于手部康复机器人的气动软体驱动器,详细阐述了驱动器的制作流程.采用Abaqus软件对软体驱动器进行有限元仿真,给出不同气压下的仿真图形.仿真结果表明,提出的软体驱动器的理论模型与实验数据基本吻合,相对于其他结构,整体的稳定性、抓取能力更强,为以后仿人柔性机械手的应用提供了支撑.

采用气动弯曲型柔性驱动器设计了一种带有柔性机械臂的多自由度果蔬采摘机械手。基于分段常曲率理论,根据柔性驱动器形变规律,建立了多关节串并联的采摘机械手运动学模型和抓持力模型,研究了机械手采摘作业时抓取模式、工作空间和手指输出力与气压的关系,并进行了相关实验验证。制作了机械手样机,并在实验室环境下进行了多种果蔬模拟采摘实验,结果表明,该果蔬机械手具有多种抓取模式,且动作灵活、柔顺可靠、易于控制,适用于球形和圆柱形果蔬自动化采摘作业。

针对传统的高刚性机器人已无法满足人机交互安全性和复杂环境自适应性的不足之处,利用磁流变液的磁流变效应,提出并设计了一种新型的用于机器人关节的变刚度柔性驱动器。详述了柔性关节驱动原理,设计了驱动器的结构并进行力学分析,同时利用磁场仿真软件Maxwell进行驱动器的磁场分析。最后对驱动器性能进行仿真分析和实验验证,对比分析结果表明该驱动器具有结构简单、易于控制、更宽的主动变刚度调节范围的特点,并且能够吸收振动或者冲击带来的能量,提高了机器人的关节输出能力。

骨骼肌被认为是一种强大的、灵活的、多功能的生物驱动器。随着软材料、柔性机器人和仿生学的不断进展,基于流体驱动的仿骨骼肌柔性驱动器因其呈现出明显学科交叉特性,成为当下研究热点。因此,以骨骼肌肌肉-肌腱结构概念为设计引导,开发一种大规模并行结构的高度仿骨骼肌柔性驱动器,称为仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器。开展柔性驱动器应力,应变和力-速度测试。实验结果显示柔性驱动器的应力达到0.32 MPa,提升载荷40 kg,应变为11.7%,并具备与骨骼肌非常接近的力-速度特征。实现了高功率密度,高应力应变,高输出力和固有力学特性集成,并实现关节转动和摆动的应用。

提出了一种基于气动柔性驱动器的全气动蠕动机器人,介绍了该机器人的组成、工作原理及气动和电气控制系统.该机器人的驱动和蠕动全部由气动元器件实现;利用能伸缩和弯曲的柔性驱动器连接真空吸盘,通过气阀控制气体压力,驱动器和吸盘的协同工作,实现机器人的直线和曲线蠕动.

介绍了一种气动爬壁机器人的原型设计,该机器人新颖之处在于采用多个吸盘组成的吸附机构和气动柔性驱动机构,它可以在玻璃面上和平整的金属表面上蠕动爬行.主要阐述了爬壁机器人关键结构的设计、安全性分析、控制系统和运动实现.