软体机器人结构机理与驱动材料研究综述

软体机器人是一类新型机器人,具有结构柔软度高,环境适应性好,亲和性强,功能多样等特点,有着十分广阔的研究和应用前景. 智能材料在软体机器人结构设计及实际应用中扮演了重要的角色,其特殊的驱动机制极大拓展了软体机器人的功能. 介绍了软体机器人的发展和研究现状,按其应用场合及功能总结了几种典型的软体机器人. 从仿生机理的角度,介绍了蠕虫、弯曲爬行虫、鱼类游动等几类仿生运动机理以及其相应的软体机器人. 还按不同驱动类型将软体机器人归纳为气动、形状记忆合金、离子交换聚合物金属复合材料、介电高弹体、响应水凝胶、化学燃烧驱动等类型. 介绍了软体机器人的制作方法与工艺,分析了目前软体机器人研究的主要挑战,提出对未来研究的展望.      

TMP折纸防护的双稳态软体机器人

软体机器人在复杂非结构化环境探索搜救等方面展现出了良好的应用潜力,但仍存在运动速度较慢、软体结构易受损等问题亟需解决.基于此,提出了一种TMP (Tachi-Miura polyhedron)折纸防护的双稳态软体机器人.软体脊柱、拉簧和TMP折纸外壳组成双稳态系统,由气压驱动突破双稳态系统的两个能量壁垒,实现双稳态之间的切换,并通过快速储存和释放能量驱动软体机器人快速运动. TMP折纸作为软体机器人的外壳,可为其提供防护,预防外界坚硬锋利介质刺破软体脊柱;此外,其在运动过程中的应变能对软体机器人的双稳态能量势阱具有较大贡献.结合材料拉伸实验和商用软件中的本构参数拟合法,确定了软体脊柱材料本构模型参数.探究了软体脊柱弯曲角度与驱动气压之间的量化关系,并提出了基于分段常曲率法的软体机器人运动学建模方法.开展了系列实验测试,发现所提软体机器人通过图钉模拟的极端环境时仍能正常运动,在平地上平均速度达到1.81BL s^-1,其质量-运动速度关系图位于软体机器人和刚性机器人的交叉区域,属于刚-软耦合机器人.此外,证实了所提软体机器人在石子路、泥泞地、浅水沟、浅草地和深水池复杂...     

软体智能机器人的系统设计与力学建模

机器人或机电装备通常由电机模组、液压元件、齿轮和铰链等硬质部件构成,具有动力足、精度高等优点,但在实现低噪声、高安全系数与亲和性等方面存在挑战.受自然界生物体的柔软特性与高环境适应性的启发,设计制造软体机器人是近年来机器人领域的研究热点.作为软体机器人的核心构成部分,智能软材料可在外界不同刺激下产生不同响应,具有材料柔韧、生物相容性好、易于制备、价格低廉等优点,可广泛应用于机器人的设计与制造.几类典型的具备驱动功能的智能软材料与结构获得广泛的研究,包括气动软体肌肉、形状记忆合金/聚合物、离子交换聚合物、介电高弹体、响应水凝胶等.本文介绍了多种驱动类型的软体智能机器人研究成果,并从软体智能机器人的系统设计与力学建模两个方面进行了归纳分析与讨论.      

软体机器人实践与创新教学

实践教学课程可以帮助学生培养动手与团队协作能力,了解理论知识的实际应用。软体机器人是近年新兴研究领域,蕴含了丰富的力学机理。本文探讨了将其应用于力学教学的选题和组织方法,并介绍了2019年清华大学空天技术科学创新实践营软体机器人项目的实施情况。14位本科生参与项目,成功制作了5个采用不同驱动方法及运动步态的软体机器人。     

鳍条效应软体采摘机械手建模与试验

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,本研究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。搭建试验平台对3个不同大小的仿真苹果在3个不同高度位置下进行抓取力测量试验。试验结果表明,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%。     

软体连续机械臂动力学建模与仿真

由于软体机械臂的质量是沿臂的长度连续分布,因此采用拉格朗日方法建立软体机械臂的动力学模型时,涉及计算复杂的积分运算,采用离散化的集中质量模型降低了计算的复杂性,但准确性不足.为了提高软体机械臂动力学建模与仿真的准确度和计算效率,本文采用模态方法对软体机械臂进行运动学描述,并从能量的角度分析软体机械臂动力学特性,研究发现...     

PRACTICE OF SOFT ROBOTICS AND INNOVATION EDUCATION

实践教学课程可以帮助学生培养动手与团队协作能力,了解理论知识的实际应用。软体机器人是近年新兴研究领域,蕴含了丰富的力学机理。本文探讨了将其应用于力学教学的选题和组织方法,并介绍了2019年清华大学空天技术科学创新实践营软体机器人项目的实施情况。14位本科生参与项目,成功制作了5个采用不同驱动方法及运动步态的软体机器人。     

丙烯酸弹性体的率相关分数阶黏弹性模型研究

丙烯酸弹性体VHB 4910作为一种重要的介电弹性体,在软体机器人、致动器、俘能器和智能隔振器等领域有很好的应用前景.但材料的非线性黏弹性对其力学行为有显著影响.近来分数阶模型在复杂材料的建模中取得了成功.本文基于分数阶有限变形Kelvin-Voigt流变学模型建立弹性体的三维张量本构,并进一步推导单向拉伸情况下的本构...     

具有硬弹簧非线性的MEMS振动式陀螺仪驱动模态控制方法

当振动式M EM S陀螺仪的驱动模态的振幅较大时,驱动模态中的硬弹簧非线性将变得显著。在驱动模态具有此非线性的情况下,比较了MEMS陀螺仪中常用的两种控制方法,即锁相环驱动和自激驱动。由于非线性模态在频域内的相位响应有迟滞效应,锁相环驱动方式不能稳定地锁定非线性模态的谐振频率。然而得益于自激驱动方式的工作原理,自激方式可以将非线性模态驱动在谐振点上。提出了一种改进的数字锁相环驱动方式。该改进的驱动方式以较大的驱动力为代价,提高了控制回路的稳定性。实验结果与仿真结果相一致,并且验证了所提出的驱动方式的可行性。     

具有硬弹簧非线性的MEMS振动式陀螺仪驱动模态控制方法（英文）

当振动式MEMS陀螺仪的驱动模态的振幅较大时,驱动模态中的硬弹簧非线性将变得显著。在驱动模态具有此非线性的情况下,比较了MEMS陀螺仪中常用的两种控制方法,即锁相环驱动和自激驱动。由于非线性模态在频域內的相位响应有迟滞效应,锁相环驱动方式不能稳定地锁定非线性模态的谐振频率。然而得益于自激驱动方式的工作原理,自激方式可以将非线性模态驱动在谐振点上。提出了一种改进的数字锁相环驱动方式。该改进的驱动方式以较大的驱动力为代价,提高了控制回路的稳定性。实验结果与仿真结果相一致,并且验证了所提出的驱动方式的可行性。     

喜马拉雅山地区重大滑坡灾害及其与地层岩性的关系研究

位于青藏高原南部的喜马拉雅山地区,是高原隆升最快的地方,这里内外动力作用异常活跃,是我国重大滑坡灾害最严重的地区之一,重大滑坡灾害对国民经济和社会发展带来了极大危害。本文在对研究区的地质、地理背景进行了详细分析的基础上,利用遥感解译和实地调查相结合的手段,研究了该区重大滑坡灾害的分布及其与地层岩性的关系,将本区地层岩性大致划分为13个工程地质岩组:松散岩组、软弱岩组、软弱岩夹较软弱岩组、软弱岩夹较坚硬岩组、较软弱岩组、较软弱岩夹软弱岩组、较软弱岩夹较坚硬岩组、较软弱岩夹坚硬岩组、较坚硬岩与软弱岩互层岩组、较坚硬岩夹软弱岩岩组、较坚硬岩夹较软弱岩组、较坚硬岩组、坚硬岩组,发现重大滑坡更容易发生在软弱岩组、较硬岩夹较软弱岩组以及坚硬岩组中,而软弱岩夹较软弱岩组、较软弱岩夹较坚硬岩组中无重大滑坡灾害分布。重大滑坡灾害的上述分布特征,反映出地层岩性与重大滑坡灾害之间的复杂关系,一方面岩性软弱,比较容易发生滑坡灾害; 另一方面,岩性越坚硬,地形越高陡,也容易发生重大滑坡灾害。     

软岩工程地质力学研究进展

在中国煤矿软岩工程地质力学的研究中 ,作者指出了国际岩石力学学会关于软岩定义的缺陷 ,提出了新的软岩定义和分类 ,并论述了软岩的变形力学机制、软化状态方程、软岩巷道支护理论、支护荷载的确定以及软岩工程地质力学设计方法。可以认为 ,中国软岩工程地质力学已经形成了较为完整的理论框架体系.     

离子导体驱动的介电弹性体软机器研究进展

基于介电弹性体的软机器在柔性机器人、能量收集、柔性电子等领域有着广泛的应用。传统的介电弹性器件由不透明的流体碳膏电极或其他硬材料制作的电子导体来驱动。可拉伸透明离子导体作为电极驱动介电弹性体时,两种软材料互相结合,为软机器提供了一种独特的实现方式。本文综述了离子导体驱动的介电弹性体软机器的近期研究进展,展望了未来的研究方向和存在的问题。     

Effects of large deformation and material nonlinearity on spherical indentation of hyperelastic soft materials

Up to now, the indentation of hyperelastic soft materials has not been completely understood. In this paper, the spherical indentation on hyperelastic soft solids was systematically investigated through theoretical analysis and finite element method (FEM). The validation and application of the Hertzian load-displacement relation for indentation of hyperelastic soft materials were clarified, the effects of large deformation and material nonlinearity on spherical indentation of hyperelastic soft materials were analyzed and discussed. It was found that the complicated indentation behaviors of hyperelastic soft solids mainly depended on the coupling interactions of large deformation and material nonlinearity. Besides, we proposed two new nonlinear elastic contact models to separate the effects of large deformation and material nonlinearity on spherical indentation responses of hyperelastic soft solids. Our efforts might help to enhance the understanding of hyperelastic indentation problems and provided necessary instructions for the mechanical characterization of hyperelastic soft materials.     

软材料粘接结构界面破坏研究综述

软材料已经在软机器人、生物医学及柔性电子等各个领域得到广泛的应用. 实际应用中, 软材料多需要粘附于不同类型的基底上, 与之共同组成工程构件进而实现特定的功能, 粘接界面性能对构件的结构完整性与功能可靠性起着关键性作用. 本文对目前软材料粘接结构界面破坏行为方面的研究进行了系统总结. 首先通过与传统粘接结构的对比, 指出了“软界面”与“软基体”两种软材料粘接结构界面破坏行为的独特性及其物理本质. 接着分别总结了“软界面”与“软基体”两种粘接结构界面破坏行为的实验表征方面的研究成果, 对界面及基体黏弹性耗散对界面破坏机理的影响分别进行了分析. 然后从理论角度, 介绍了针对两种软材料粘接结构界面破坏行为的理论分析方法, 并对已建立的相关理论模型进行了总结. 之后以内聚力模型方法为基础, 介绍了软材料粘接结构界面破坏行为数值模拟方面的相关研究进展. 最后基于已有的研究成果, 提出了目前研究所面临的挑战, 并对可能的软材料粘接结构界面破坏的未来研究方向进行了讨论和展望.      

西安地区饱和软黄土工程地质特征研究

饱和软黄土是黄土地区一种特殊性岩土。结合西安城区和北环铁路工程勘察的结果,分析了西安地区饱和软黄土的分布规律及其物理力学性质,讨论了饱和软黄土分布上的差异,从地质环境角度探讨了北环铁路饱和软黄土分布的成因,提出了上层滞水含水层也存在饱和软黄土的观点。     

Observer-based continuous adaptive sliding mode control for soft actuators

Nonlinear Dynamics - Fabricated by high elastic materials, soft actuators provide a prominent solution for soft rehabilitation gloves, soft graspers and locomotion robots. However, the control of...     

Evaluation of the performance of a soft X-ray charger for the bipolar charging of nanoparticles

The use of soft X-rays in a neutralizer represents an alternative technique that could replace conventional radioactive sources. In this study, we evaluated the charging characteristics of a soft X-ray aerosol neutralizer. In addition, the results from the evaluation of the soft X-ray charger were compared with results obtained using a neutralizer incorporating an ²⁴¹Am radioactive source. The tandem differential mobility analyzer technique was used previously to determine the size-dependent positive, negative, and neutral charge fractions of a soft X-ray neutralizer. This technique was used to show that the neutral fractions obtained using the soft X-ray charger agreed well with the predictions of bipolar diffusion charging theory, and that the soft X-ray charger could be used as a neutralizer for a scanning mobility particle sizer system.