适应极高静水压力的软体智能材料与软体机器人

实验表明由软硬融合方式构造机电系统、力电耦合软体智能材料驱动的软体机器人无需耐压外壳即可适应极高静水压力(110 MPa)并实现驱动.      

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.      

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.      

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...     

振动驱动移动系统平面避障运动分析

近年来,工业机器人的应用领域日益广泛,可移动机器人的发展备受关注,为了在一些复杂环境中准确地完成作业,学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文研究了在各向异性黏性摩擦环境中一类有两个在平行轨道内做正弦运动的内部质量块的振动驱动移动系统的运动规律,提出了使系统完成包括避障等规定作业的驱动设计方法.首先利用第二类拉格朗日方程,建立了系统的动力学方程;然后,利用速度Verlet积分法分析了系统的运动规律,得到了内部驱动参数与系统运动轨迹、运动速度的关系;最后,结合振动驱动移动系统的运动规律,提出了使系统沿预设路径运动和实现避障运动的驱动设计方法.通过曲线离散得到了系统沿预设路径运动的移动轨迹,进而通过改变内部质量块的驱动参数,使系统沿预设路径运动.为了使移动系统在障碍物环境中达到目标位置,提出了结合栅格法,Floyd算法及最小顶点圆法的优化的路径规划计算方法,得到了振动驱动移动系统在障碍物环境中运动的最优路径,并通过改变内部质量块的驱动参数实现了移动系统的避障运动.     

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。     

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。     

多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的 广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞 结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构 双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指 出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征. 逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂 非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动. 根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的 吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的 多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非 线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.      

多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征.逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动.根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.     

考虑非线性本构的非刚性折纸结构动力学建模与分析

折纸结构因其大收纳比、高可控性、可重构、制造装配简单以及设计多样等优势, 在航天、生物医学、建筑、机器人、材料科学等工程领域有着广阔的应用前景. 随着折纸结构的工程应用越来越广泛, 针对低刚度折纸结构的动力学研究愈加重要. 本文将非刚性折纸结构等效为带卷簧的空间桁架结构, 建立了一种通用的杆–链动力学模型. 考虑材料的几何非线性, 采用基于Ogden超弹性本构的杆单元来模拟折痕和虚拟折痕, 可适用于作大范围运动并具有大变形的折纸结构. 引入非线性卷簧来体现折痕的抗弯作用, 相较于传统的卷簧本构模型, 本文提出的改进的非线性卷簧本构模型具有更强的通用性和鲁棒性, 能够有效避免接触碰撞动力学中折叠面的穿透. 基于虚功原理, 建立了考虑阻尼效应的非刚性折纸多体系统的动力学方程, 并采用变步长的广义-α 法求解. 最后, 对三种经典折叠形式的非刚性折纸结构进行动力学仿真, 验证了本文提出的杆–链动力学模型的准确性和高效性. 通过施加虚拟折痕和修正初始构型, 有效解决了刚性折纸模型中展开和收拢过程的锁定问题. 与刚性折纸模型相比, 杆–链动力学模型具有更好的数值模拟通用性, 并能够给出具有大变形张紧构型. 在此基础上, 揭示了非刚性折纸结构复杂的动力学行为, 并对多稳态、瞬态动力学和波动力学特性进行分析.      

MSC折纸结构设计及其双稳态解析与实验

折纸是一门古老艺术,其本质是将平面材料沿着事先设计好的折痕进行折叠,进而形成一个复杂的三维结构．柔性折纸结构是实现三维结构轻量化的重要途径．因此,解析折纸结构几何特性和力学性质十分必要．本文以MSC(Magic Spiral Cube)为研究对象,通过实际折痕和虚拟折痕的方法,建立了该结构的几何模型,确定了实现完全展开和完全折叠对刚性面和可变形面的设计条件,在虚拟折痕上引入了扭转刚度,证明了该扭转刚度与柔性面变形的等效性,从而得到了MSC 折纸结构的弹性势能,得到了使结构变形的力与位移本构．通过力学特性分析,发现了MSC折纸结构具有双稳态特性,这种特性是由面内变形诱发的,与虚拟折痕刚度与弹性折痕刚度的比值有直接的关系．最后,我们对MSC折纸结构进行设计和制备,通过实验,验证了理论 模型的准确性．本文的研究结果不仅进一步加深了我们对于MSC折纸结构力学特性的认识,同时也为其工程应用提供理论基础．     

折纸结构和折纸超材料动力学研究进展

折纸结构和折纸超材料由于其无穷的设计空间,突出的变形状、变大小、变拓扑特性,以及由折叠诱发的超常规力学特性,在最近几年迅速成为数学、物理和工程学科的研究前沿和热点.折纸结构和折纸超材料在航天、医疗、材料、机器人等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括大型空间可展开结构、自折叠可重构机器人、微型可折叠器械等.随...     

双稳态电磁式振动能量捕获器超谐波响应研究

超谐波响应是非线性振动系统在较大激励下表现的特性,在某种条件下双稳态振动能量捕获系统的超谐波响应可使系统产生优越的输出功率。本文将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获器相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程。采用两项式谐波平衡法,获得了双稳态系统在简谐激励下产生大幅运动的基谐波和超谐波响应的解析解,借助数值仿真分析了质量比和调频比对双稳态振动能量捕获器产生大幅运动的影响规律,获得了双稳态系统的结构参数的最佳配置范围,且当外部激励频率处于低频段时,系统发电主要表现为超谐波发电,随着激励频率的增大,振动发电系统主要呈现基谐波发电。上述研究,为双稳态能量捕获装置的理论研究提供了参考。     

一种新型双稳态电磁式振动能量捕获器动力学特性研究

将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获系统相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程;利用谐波平衡法获得了该发电振子处于高能轨道的运动幅值及发电功率密度解析解表达式。数值仿真表明:附加非线性振子的双稳态振动发电系统的响应幅值及功率密度均明显高于单一双稳态振动发电系统。在简谐激励下,随着质量比和调频比的增大,附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的大幅运动响应及发电性能均出现了先增大后减小的趋势;且随着激振频率的增加,发生了随激振频率移动的现象。通过综合比较获得了附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的发电性能最佳的参数配置范围m∈[0.8,3]和f∈[π/10,π/3]。上述研究结果可为双稳态振动能量捕获系统的相关研究提供理论基础。     

基于位置约束的两轮驱动机器人路径跟踪控制方法

两轮驱动机器人的应用越来越广泛,但由于两轮驱动机器人属于欠驱动系统,输入量不能使机器人按任意轨迹运动,因此较难控制。针对两轮驱动机器人的路径跟踪控制问题,分析了两轮驱动机器人运动模型,提出了一种新的路径跟踪控制方法。通过左右轮的双闭环PID控制来约束两轮机器人的速度和位姿,同时,在期望路径附近建立矢量场,引入位置约束,促使两轮机器人在偏离期望路径时能够快速回归,完成路径跟踪任务。搭建了两轮驱动机器人硬件实验平台,实现了两轮驱动机器人的路径跟踪控制。实验结果表明,两轮驱动机器人能够准确跟踪期望路径,对于设置的一种较复杂路径跟踪实验,得出的各跟踪点的相对误差的均方差为0.86%,最大相对误差为3.64%。     

一种压电驱动的三足爬行机器人

机器人领域涉及到力学、机械、材料、控制、电子和计算机等多个学科. 其中, 爬行机器人可在极端环境下工作, 进而可有效降低人工作业的危险性并提高工作效率. 因此, 爬行机器人一直是机器人领域的重点研究对象. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的新型功能陶瓷材料. 逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场, 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力, 当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失. 本文基于压电陶瓷的逆压电效应设计了一种由3条弯曲变截面梁支撑的一体化三足爬行机器人. 利用理论力学方法对该三足爬行机器人建立整体受力分析方程, 再用哈密顿原理对变截面、变角度梁建立动力学方程, 最终得到了可求解该三足爬行机器人的压电驱动腿固有频率的方程. 设计并制作了三足爬行机器人实物, 通过实验测试了不同弯折角度、不同驱动频率、不同负载、不同电压波形对运动方向及运动速度的影响. 最后利用不对称的驱动电压使三足爬行机器人实现了左转、右转以及不加导轨的近似直线运动, 实现了设计的3个方向的运动, 最后分析了该机器人的能耗问题. 该研究可为微型爬行机器人设计和实验提供参考依据.      

功能梯度材料涂层平面运动裂纹分析

研究粘结于均匀材料基底上功能梯度材料涂层平面运动裂纹问题,假设功能梯度材料剪切模量和密度为坐标的指数函数,而泊松比为常数.采用Fourier变换和传递矩阵法将该混合边值问题转化为一对奇异积分方程,通过数值求解奇异积分方程组获得功能梯度材料涂层平面运动裂纹的应力强度因子.考察了结构几何尺寸、裂纹运动速度以及材料梯度参数对运动裂纹的应力强度因子的影响,发现材料梯度参数、结构几何尺寸、裂纹长度以及运动速度均对功能梯度材料动态断裂行为有显著影响.     

三浦折纸超材料结构数字化设计与模型验证

折纸结构在航空航天、柔性电子、汽车船舶和建筑结构等领域具有较好的应用前景. 三浦折纸单元沿三向拓展可构建出三浦折纸超材料结构, 具有高孔隙、可自锁、平面折展、负泊松比、形态可控等特性. 为了便于生成折纸超材料结构的复杂三维模型、推广应用于缓冲吸能结构及可展结构, 本文利用Matlab和Grasshopper软件, 发展了三浦折纸超材料结构的数字化设计方法, 利用数字化建模及3D打印技术, 实现了零厚度及非零厚度三维折纸模型的统一建模, 并开展了物理模型验证分析, 探讨了3D打印制作折纸超材料结构模型的优缺点; 推导了三浦折纸超材料的折痕长度、相对密度、折叠率等特性与几何参数的关系, 利用Abaqus/Explicit软件开展了结构准静态压缩过程分析与验证, 揭示相对密度对结构吸能指标的影响规律. 研究结果表明, 折纸超材料结构数字化设计方法高效、准确, 便于结构选型及优化分析, 所得三维模型结果与理论值吻合较好. 当胞元面板构型、面板厚度及结构折痕总长不变时, 相对密度较小的三浦折纸超材料结构具备更为优异的吸能效率.      

基于深度强化学习算法的颗粒材料应力?应变关系数据驱动模拟研究

颗粒材料的宏观力学行为受颗粒组分等材料参数, 孔隙率、配位数等状态参数的影响, 同时又具备复杂的加载路径和加载历史相关性, 建立包含多个内变量以及各变量间相互关联的颗粒材料本构模型是一个重要的科学难题. 不同于传统的基于屈服面、流动法则和硬化函数框架下的唯象本构模型, 本文基于颗粒物质力学的研究基础, 以颗粒材料平均孔隙率、细观组构参数和弹性刚度参数作为内变量, 结合深度学习方法建立以有向图表征的数据本构模型. 有向图中以不同的链接网络表示不同的内变量信息流动方向, 各个内变量间的映射关系采用循环神经网络来建立, 将各个神经网络相互组合, 形成包含不同内变量且具有不同预测能力的本构模型. 该本构模型的建立过程等价于在众多可能的内变量链接关系空间中寻找最能描述实际材料宏观应力应变行为的优化问题. 因此, 可将有向图本构模型的建立过程看作“马尔可夫决策过程”, 采用深度强化学习算法构建有向图的内变量链接组合优化过程, 具体采用AlphaGo Zero算法自动寻找最优的颗粒材料数据驱动本构模型建模路径. 研究结果表明, 采用有向图和深度强化学习算法可建立起完全依靠“数据驱动”的颗粒材料应力?应变关系. 此外, 本方法提供了一种将不同理论模型从数据角度统一起来, 且基于人工智能算法发展更优模型的研究思路, 可为相似问题的研究提供借鉴.      

可重构力学超材料的设计与波动特性研究

力学超材料中的弯曲梁双稳态结构由于其主动调控性强且调控精度高等优点近年来受到广泛关注. 文章利用中心受压弯曲梁的不稳定性设计了六角型双稳态结构, 首先建立了等效弯曲梁模型, 基于梁变形微分方程及能量最低原理探明了结构双稳态特性的产生基理, 之后利用有限元数值计算研究了结构几何参数对其整体力学性能的影响, 分别得到了具备自恢复及双稳态性能的结构几何参数范围, 绘制了几何参数与力学性能之间的相图. 同时, 可重构结构的可控变形能力有助于调整整体的色散特性, 利用数值仿真研究了具备双稳态特性的结构在拉伸和压缩两种构型下的色散关系, 对比分析了不同结构几何参数及构型转变对结构产生的带隙位置及范围的影响, 之后对由不同构型单胞组成的周期性结构进行了频响分析来验证带隙计算的准确性. 通过六角型可重构结构的力学特性、色散特性研究及频响分析表明可以通过结构几何参数的设计实现对结构整体性能的主动调控, 为可逆向设计的弹性波超材料结构研究分析提供了一条可靠路径.