摘要：水下机器人已广泛用于代替人类开展各种水下巡检与维护作业,吸附结构作为机器人面对各类复杂斜面、立面稳定运动的重要单元,其可靠性至关重要。但现有的吸附结构仍存在吸附力弱、适应性差等缺点。为此,提出了一种基于曲面负压吸附的水下机器人吸附结构。通过理论研究,分析了吸附结构的特性;利用Ansys有限元仿真,对吸附结构进行模拟仿真实验,详细分析了各项关键参数对吸附力的影响。理论计算与仿真结果表明,吸附结构所产生的吸附力高于推进器推力以及平面吸附结构所产生的吸附力;当吸附结构距壁面间隙为8 mm时,平面吸附结构达到最大吸附力136 N,此时,曲面吸附结构可以产生194 N的吸附力,相当于同等情况下推进器4.5倍以上的推力。开展了实物验证与水下机器人应用验证,在垂直壁面上对机器人开展了爬行实验。结果表明,吸附结构进一步提高了吸附力,有助于水下机器人的爬坡吸附运动。

摘要：为解决大型球罐压力容器表面三层高强度环氧漆打磨问题,设计了一款大型球罐壁面除漆机器人,并对其开展了实验研究。机器人主要包括爬壁吸附系统和自适应打磨系统。通过对海尔贝克阵列永磁体研究,仿真分析履带结构永磁体吸附力与工作间隙的关系,研发了一款吸附稳定、越障性能优越的爬壁吸附系统;针对弧形壁面打磨情况,设计了一款基于电流反馈的自适应打磨系统,并分析金属丝打磨辊力学模型,研发多样金属丝打磨辊。对机器人进行测试,打磨效果良好,机器人可以对环氧漆打磨并露出金属光泽,且是人工打磨效率的3~10倍。该研究为球罐高强度环氧漆打磨提供了新打磨工具,保证了打磨质量,提高了打磨效率。

摘要：针对长程自主式水下航行器(AUV)在使用推进器定深巡航、上浮下潜能耗高以及传统浮力布置方式带来重心改变控制复杂等问题。提出了一种复合浮力调节装置,该装置在结构上独立成段,集成了浮力调节和重心调节功能。可在满足浮力调节的同时,利用剩余空间实现对俯仰角的控制。并采用一种新的浮力模块布置方式,通过理论计算验证了该装置可以在AUV上浮、悬浮、下潜过程中保持一定姿态。搭建了复合浮力装置样机,对主要部件进行强度校核,测试其在水下的密封性能和浮力调节精确度。结果表明:该机构具有精确的浮力调节能力,以及保持该机构在水中平衡的能力,相比传统布置方式可提高空间利用率、简化安装步骤。

摘要：硫酸纸具有较好的湿度响应特性,研究了其变形机理,设计了智能结构,并将其应用于新型软机器的设计。首先,对硫酸纸的微观结构以及力学性能进行了表征分析,表明其纸平面具有各向异性,可实现卷曲、螺旋等运动模式,给出其变形机理;设计了一款可自折叠立方体智能结构,并通过有限元分析与实验相结合验证了其可行性;其次,提出了基于智能纸张的软驱动器,并应用于水下自适应软体抓手设计,其无需外接细绳输入,依靠湿度环境就可以实现运动控制,且最大可提升比自身重45倍的物体;最后,带式蠕动机器人可在稳定的环境下实现连续性运动,速度可达到每秒0.06倍体长。该智能材料在软机器领域具有良好的应用前景。

摘要：对软体机器人的无系留驱动方式探索是当前软体机器人领域一个重要的研究方向,但当前的无系留软体机器人驱动,大都需要交替改变环境条件来实现定向驱动,为此,本文提出一种能够在恒温环境下由湿度驱动的无系留软体轮式机器人,基于硫酸纸和Ecoflex⁃0030的温湿度效应形变机理,实现了对其在稳定的温度环境中定向滚动控制。将硅胶材料Ecoflex⁃0030涂布在硫酸纸上制成双层材料,基于该材料剪切而成的4个软体驱动叶片粘贴在滚轮上,通过在温、湿度环境下4个软体驱动叶片的可控形变,实现对轮式结构主动推进的控制。研究了硫酸纸的形变机理,给出了车轮叶片尺寸、驱动力矩的设计,并对机器人的动力学进行了建模分析,制作了实物样机并对其进行了滚动测试。实验表明:从给定驱动叶片初始状态,车轮在55 s内运动了约85 mm,进一步,通过将驱动叶片交错相位布置的两个驱动轮串联联接,制作成两轮驱动小车,验证了设计的可行性。该研究成果对设计新型温湿度控制的无系留软机器人和软机器的设计具有重要意义。

摘要：通过基于标准Theo Jansen仿生腿(Jansen-leg)机构研制出的小型仿生机器人实物样机的性能测试,发现该机构存在足端运动轨迹单一、地形适应性差等不足之处,针对此进行Jansen-leg机构的系统优化与革新设计。将双边测量中的距离方程应用于标准型仿生腿的运动学建模,作为机构优化中动态变换点的运动学分析的理论依据。通过可重构的优化设计方法,得到了能够适应趾行、避障、泥地、攀爬等运动的诸多新型足端运动轨迹模式。受到优化设计过程和结果的启发,在继承Jansen-leg机构优点的同时对其进行机构革新设计。设计的新机构不但具有很好的越障性、通过性、足端运动轨迹模态多样性,还具有控制简单、关节运动协调性好等诸多优点。提高了该机构对非结构地形环境的适应性,拓展了该机构的应用范围。

摘要：传统关节式水下作业机械臂存在作业灵活性受限、控制复杂等不足,为此,文中提出并研发了一种适应于水下作业、柔索驱动的柔性机械臂。通过采用对角线耦合轮系驱动,实现了一个电机控制两根驱动钢丝,并减少实际所需电机的数量;采用几何分析法建立了柔性臂驱动绳长、关节弯曲角度与末端位姿的运动学关系,并建立柔性臂运动学模型;采用MATLAB软件进行手臂运动仿真,得到柔性臂的仿真姿态与工作空间;通过ADAMS软件对柔性臂进行运动仿真,验证了算法的可行性,确定了手臂关节的最优尺寸。制造出实物样机,对其手臂动作灵活性、柔顺性进行测试,完成了气密性试验和水密性试验,并成功在水下环境对目标物进行抓取,验证了柔性臂机械系统结构的可靠性和可行性。该柔性臂不仅能满足水下环境抓取作业需求,还可以应用于各种受限空间、危险场景的抓取和检测作业。

摘要：提出一种新型的多足仿生机器人的运动机构,该机构具有运动灵活,自由度少的特点。利用D-H矩阵对该机构基本运动单元的运动学进行了理论分析,给出了运动学方程。基于虚拟样机技术对该运动学方程进行了仿真验证,结果表明运动学方程是正确的。建立了这种新型的多足仿生机器人的虚拟样机,并对其进行了虚拟样机的仿真研究。制作出了简易的一对足的实物试验机构。

摘要：针对机构学中常用的空间串联机构,用D-H齐次坐标变换建立了六自由度为代表的空间串联机构的运动空间方程,利用机械系统动力学自动分析软件ADAMS建立了二至六自由度空间串联机构的虚拟样机模型,基于虚拟样机技术,对二至六自由度空间串联机构运动空间进行了系统地仿真与分析。研究发现运动空间的形状与自由度的个数和杆的长度有着密切的关系,当自由度达到3个及以上时,不合理的杆长组合会在运动空间中形成盲区,满足一定的条件就可以消除盲区。

摘要：针对国产CAP1400系列核电站控制棒驱动机构密集阵列排布特点,创新设计并研发了一种具有刚性体、柔性体和软体一体化运动特征的新型控制棒驱动机构检查机器人。该机器人具有由液压剪叉升降机构、麦克纳姆轮底盘和直线模组组成的刚性推进模块、柔索驱动的连续体主机械臂模块以及气驱动的软体伸缩模块。对柔索驱动的单级关节段连续体柔性臂进行运动学分析并探究多电机协调控制策略,并对气驱动的软体伸缩模块进行了分析与测试;最后,在模拟环境中对该机器人进行功能测试,测试结果表明该机器人的各项功能均达到预期效果。该研究为核环境受限空间中规则密集排布管线检查提供了一种新的解决方案和新型机器人。