针对软体气动驱动器的变形机理,以气动驱动软体手为研究对象,开展了基于单向气动驱动器的软体手指弯曲和摆动机理的研究。设计了气动驱动软体手,其弯曲和摆动结构均由多个相互连通的气室和一个不可延伸层组成。当相邻气室因充气膨胀而相互挤压时,气室受到不可延伸层的约束,实现了弯曲和摆动变形。为进一步考察软体手的变形机理,对620#T超弹性硅橡胶材料的非线性力学特性进行了研究,测定了其材料常系数。基于Yeoh模型密度函数,结合空间力矩平衡方程,建立了驱动压强和曲率半径的理论模型,并开展了软体手指弯曲及摆动变形的仿真研究,结果证明了理论模型的正确性。研究结果可以为其他基于气动驱动的软体结构变形机理研究提供理论基础。

以软体仿生舌为研究对象,针对多向驱动器的变形机理,开展了面向软体仿生舌的单/多向驱动器的弯曲特性研究。首先,设计了气动驱动软体仿生舌,其在单/多向驱动器的作用下可实现吐舌、翻舌、卷舌以及斜翻舌等动作;其次,为进一步研究驱动器的变形机理,开展了针对单/多向驱动器的结构及变形工作原理的研究;然后,基于Yeoh模型应变能密度函数,结合力平衡方程,建立了驱动压强和驱动器弯曲变形后曲率半径的非线性数学模型;最后,为验证理论模型的正确性,开展了软体仿生舌的仿真研究及相关实验验证,结果证明了理论模型的正确性。上述研究为其他基于气动驱动的软体结构变形机理的研究提供了理论基础。

为了较准确地描述软体驱动器的弯曲变形,利用Solidworks软件建立了软体弯曲驱动器的模型,通过控制驱动器内部的气压大小使其呈现不同的弯曲角度。首先,基于Yeoh模型进行非线性数学模型的搭建,分析其弯曲角度和输入压强之间的关系;其次,利用ABAQUS软件分析腔室数量n、腔室高度h和腔室壁厚t这3个结构参数对驱动器弯曲性能的影响,确定其结构参数;最后,将仿真结果与数学模型的预测结果进行对比。结果表明,其理论数据和有限元仿真结果较为一致,研究结果可以为驱动器的运动控制提供理论基础。

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...

汕头湾海底隧道是国内外首座设计时速为350 km的单洞双线高速铁路海底隧道,采用1台直径14.57 m泥水平衡盾构机施工。盾构段水压达0.84 MPa,管片接缝处防水主要通过设置双道三元乙丙橡胶弹性密封垫实现。为研究合理的密封垫截面型式,确保管片接缝防水能够满足铁路运营要求,采用非线性有限元软件ABAQUS,对初选的内、外道密封垫断面建立二维有限元模型进行计算分析,根据压缩反力曲线、压缩形态,接触面应力大小及分布情况等指标综合分析确定内、外道密封垫断面4为推荐方案;利用“T”形模拟水压试验台对推荐方案断面进行最不利工况下防水试验验证,确定内、外道密封垫断面4可用于汕头湾海底隧道盾构管片接缝防水。

基于橡胶试样单轴拉伸试验得到的拉力和变形量等试验数据,利用最小二乘法拟合求得橡胶材料的Mooney-Rivlin模型及Yeoh模型常数。基于有限元方法,用得到的模型常数对试样变形量进行计算并与试验结果对比。结果表明,Mooney-Rivlin模型在小应变和中等应变时可以较好地描述材料的力学行为,Yeoh模型适合模拟大应变时材料的力学行为。利用得到的模型常数计算分析异形密封圈的静态性能,最大变形量计算值与试验值的相对误差为2.74%,表明了所选模型常数的准确性。

由柔性材料制成的末端软体夹持器依靠结构本身的弹性变形实现对物体的无损抓持,具有自由度高、适应性强的特性,在非结构化环境中具有广阔的应用前景。目前,多数软体夹持器功能单一,适应性差,难以实现对各种形状、尺寸物体的通用抓取。为解决这一问题,通过分析形状尺寸各异物体对软体夹持器结构及性能的要求,结合现有夹持器的优点,设计出一种中间部位能抓取体积较大目标、尖端部位可精确夹持细微物体的通用型气动软体夹持器。基于Yeoh模型建立夹持器变形角度与压力关系数学模型,使用ABAQUS软件对其进行正压和负压仿真,分析出夹持器的弯曲变形情况,得到其极限气压。通过实物的变形实验,得到仿真结果和实验结果相对误差为9.10%,验证了仿真的有效性和变形角度与压力关系数学模型的准确性。

相对于传统的刚性机器人,由硅胶等柔性材料制造的软体机器人在结构上具有自由度高且能够进行连续形变的特点。目前,多数软体驱动器的气腔形状为等截面形态,而对于变截面软体驱动器的研究却少有涉及。为了解决这一问题,从鳐鱼的运动受到启发,设计了一款气腔截面纵向变换仿鳐式软体驱动器。驱动器限制层设计为不可压缩的薄层,结合应变能密度等理论,提出一种预测驱动器的弯曲变形角度的方法。通过3D打印技术制作模具,浇注模型,制作出仿鳐式软体驱动器。通过理论分析、有限元仿真、实验对比验证其数学模型,绘制仿鳐式软体驱动器在0.02~0.07 MPa气压下的中心线轨迹,分析输入气压与末端输出力的关系,验证了驱动器的理论分析、有限元仿真与实验结果在一定的误差下基本一致。其预测方法表现良好,为进一步研究仿鳐式软体驱动器在空间形变提...