智能仿生机器鼠

技术转移中心

-/先进制造与自动化

微小型仿生机器人体型小巧、机动灵活,是执行狭窄空间探测的理想机器人形态,能进入人无法到达的区域执行危险任务,在国家公共安全、国防方面具备很好的应用前景。同时,利用微小型仿生机器人复现动物行为模式,为人类探索生命规律、解决相关科学问题提供了新的技术手段和研究思路,是国际前沿热点。但是,由于受尺度限制,微小型仿生机器人仅能承载有限的硬件和计算资源,在多模态运动、多传感器集成等方面存在诸多挑战。本课题组以鼠类作为仿生对象,突破了微小型仿生机器人多关节灵巧设计与系统集成关键技术,研制成功了集成度高、运动协调能力强的仿生机器鼠。该机器鼠具有以下基本特点:

(1)在形态及尺寸上十分接近真实鼠,拥有类似真实鼠的运动特征,具备多个主动自由度,可实现基于行走、小跑、双足跳跃等步态控制,适应多种复杂地形,可实现从屈膝到站立、直行、扭转、匍匐前进等多种仿生运动模拟;

(2)通过融合多种材料(硅胶、ABS树脂)及现代加工方法(线切割、激光、MEMS)优化机构设计,高度集成了控制、驱动、无线通讯、感知等模块,实现了系统设计的高度集成化、小型化、轻量化,所有模块加在一块总重量不超过250克;

(3)结合视触觉感知系统,研制出了Rat-Brain智能系统,利用AI技术可识别当下环境中的物体,感知触碰物体表面的粗糙度及纹理特征,以及即时定位与地图重建。利用无线通信技术,在保证控制实时性的同时,可通过多机器鼠集群控制实现大规模在线任务规划。

适用于显微镜的小体积五轴电动载物台

科技处

-/先进制造与自动化

光学显微镜在工程领域及科学研究中发挥着重要作用。随着被测物的不断变化,对显微镜测量精度的要求不断提高,对载物台的位移精度、实现功能要求越来越高,电动化的需求日渐显现,特别是在高倍率物镜下,视野范围小,任何不精准的移动都可能造成被观察的特征移出视野范围的可能。现有手动载物台可以实现多轴的移动或转动调节,并可通过手轮提供精度较高的位移步距。但手动载物台存在一些限制:不能恒定的输出相同的步距,存在人为误差;随使用时间的增加,手轮的阻尼会越来越小,容易出现无法精确定位的情况,且更容易受到外界的干扰;手动载物台需要人为接触操作,当由显示器观察时,因距离的关系操作非常不便,而长时间使用目镜观测会导致眼睛疲劳。电动载物台能够实现高精度的位移输出,但价格昂贵,且最多只能提供三维方向上的平动调节,无法提供角度偏转调节。用户可以自行购买三维位移平台作为载物台使用,但通用的电动位移台普遍体积较大,在垂直方向和水平方向会与显微镜发生结构干涉。
为了克服上述问题,本项目研发了一种适用于显微镜的小体积五轴电动载物台。适用于目前市面上多数显微镜,能够满足各个领域对于载物台的需求,并且成本低于电动载物台。

基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器

科技处

-/先进制造与自动化

机电换能器指一类可以在机械场和电场间进行能量交换的设备,主要用于传感、作动以及近年来提出的振动能量收集和振动抑制等。这类设备必然包含某种具有机电耦合效应的部件,可以由纯机械设计实现,例如可动极板电容、可动芯棒电感或音圈作动器等;也可以由具有机电耦合效应的智能材料实现,例如光学纤维、压电陶瓷片、压电堆或压电薄膜等。基于智能材料实现的换能器具有轻质、小型和高效的特点,是目前机电换能器相关领域的关注热点。
目前,机电换能器中使用最成熟、应用最广的智能材料是植入式或粘接式的压电晶片,其优势是质量轻、机电耦合性能好以及易于加工实现等。然而,压电晶片较脆,易于断裂,难以于曲面贴合。为了突破这一限制,NASA兰利研发中心开发了压电纤维复合材料。但是,无论是压电晶片或是压电纤维复合材料,如果在使用中以粘贴或植入的方式与目标结构连接,都存在不方便拆卸、安装和维护的弱点。
工程领域中只对特定弹性波具有机电耦合性能的换能器,称为“波模态换能器”。但目前尚无针对更复杂结构(如圆柱壳体等)中各种弹性波设计的波模态换能器。这一现状限制了基于压电材料的先进结构健康监测技术在管路、航空发动机机匣、民航飞机机身等近似柱壳结构上的应用。
本项目针对现有压电纤维复合材料存在不方便拆卸、安装和维护的问题,同时针对圆柱壳体结构尚未有公开发表的波模态换能器能与包括弯曲波、拉压波以及扭转波在内的多种弹性波有选择性地进行能量交换的问题,研发了一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器。

大型薄壁复杂特征板材双向加压充液成形技术

科技处

-/先进制造与自动化

随着航空技术的发展,新一代飞机对气动性能和外观要求越来高,飞机钣金零件朝着高强度,高精度、高表面质量和表面特征复杂的方向发展。高强铝合金材料由于质量轻,强度高、耐腐蚀性强、疲劳性能好等诸多优点,在飞机结构件上大量应用,但是铝合金塑性差,延伸率低,厚向异性指数小,硬化指数低,对于型面复杂变形较大的钣金零件在成形过程中容易出现起皱和开裂缺等陷。传统的铝合金类大型薄壁带有复杂特征的零件加工采用爆炸成形的方法,爆炸成形是压力加工专业中的一门特殊工艺,它受到场地,工作条件,工作环境等因素的限制。在实际生产过程中,对于形状复杂的零件欲通过计算给出准确的药量是十分困难的,因此往往是先对零件形状进行简化,然后通过计算估算药量,在爆炸过程中再适当加以调整,增加加工道次;复杂零件需要多炮爆炸成形,其能源利用率较低。在爆炸成形中真空度要求较高,否则零件会出现烧伤反鼓现象,表面质量很差,需要人工进行二次修复。
板式充液成形方法是一种利用柔性的液体介质替代部分传统刚性模具,使坯料在高压液体的作用下按照预先设计的轮廓发生塑性变形从而成形出所需零件的先进成形方法,具有节省工序、简化模具结构、降低成本等优点。成形出的零件具有成形精度高,表面质量好,壁厚分布均匀,回弹小、成形极限高等优点。特别适合结构复杂的零件的成形。但是要成形带有小圆角特征的大型板材零件,需要较高的成形压力,设备的吨位需求也相应的提高,因此设备的吨位成为制约此类零件成形的主要因素。
该项目研发出一种在不增加设备合模吨位情况下,高效、高精度的大型薄壁复杂特征板材双向加压充液成形技术。

气动软体抓持装置

科技处

-/先进制造与自动化

柔性是生物体本质而普适的重要属性。绝大部分生物都具有柔软的组织,这些生物依靠自身柔性,能够高效、和谐地与自然界交互。“软体”的机器人也能像生物体一样,主动或被动地改变自身形状、刚度和运动,从而更加安全高效地与环境交互。传统柔性铰链原理的机器人是依靠多个微小刚性单元的连接以及弹簧等刚性元件的使用来达到“柔性”的目的,但控制方式与传统刚性机器人没有本质的区别,故这类机器人虽然在一定程度上解决一些刚性机器人存在的问题,依旧有其局限性,依然应该划分于“刚性”机器人的范畴。
本项目研发了一种基于软体材料和气动控制的气动软体抓持装置,以代替传统机械手执行末端进行高效而安全的作业。本项目手指设计为叠层排布的褶皱式柔性结构体,通过向手指内部的通道进行充气或吸气,从而实现手指向外弯曲或者向内弯曲的姿态变形,抓起和释放球状、片状、立方体状、锥刺表面以及各种复杂外形的实体,并且可以抓起于自身重量3倍的物体的物品。与刚性机器手相比,本项目没有类似刚性机器手的连杆、铰链和电机等结构上的限制,没有复杂的控制系统,在抓持易碎、形状复杂的工件时具有不可替代的优势。在未来的空间站小型机械臂作业,工业生产线以及医疗康复等领域具有潜在的应用前景。

红外热像(热波)无损检测技术

科技处

-/先进制造与自动化

采用主动热激励技术对物体进行热激励,如果物体内部存在缺陷或其它物理结构变化,热波的传播就会发生相应的变化,利用红外热像仪记录物体表面温度场的变化过程,并进行红外热像序列处理,就能提取出与内部缺陷或结构对应的特征信号,从而可对内部缺陷或物理特性进行定量的检测和诊断。红外热像(热波)检测是以瞬态传热、弹性振动、红外光学、信号处理和图像处理等为基础的可视化定量无损检测技术,其应用场合贯穿于航空航天结构产品全过程全寿命周期的各个阶段和工序过程,从产品的设计、材料研究与制备、工艺研究与优化、结构件制造装配、整机服役和结构修理都离不开无损检测技术的支持和核心配套。
本项目研发的红外无损检测设备通过超声波、脉冲光源、连续光源等方式对被检测物体进行热激励,以红外热成像方式检测物体的内部缺陷,具有单次检测面积大、速度快、可单面检测、无需拆卸被检测部件、可在外场使用等优点,适合于多种形状固体材料结构内部裂纹、分层或脱粘缺陷检测。其主要检测对象有:材料内部微裂纹,复合材料的分层、脱粘和撞击损伤,热障涂层和陶瓷部件上的微裂纹,管道内壁的裂纹和腐蚀坑,C/C复合材料上的裂纹,固体发动机绝热层脱粘,航天胶接结构脱粘,焊缝内部裂纹等多种材料内部缺陷。

适合中国国情的定制化工业4.0及数字化工厂

朱琪

-/先进制造与自动化

项目关键技术与创新点是通过开发专用智能装备和车间管理通用软件,医用导管激光焊接、硅片超高速分选等多项技术打破国外垄断。
主要为企业提供智能工厂的解决方案,生产设备自动化升级改造,机加工、冲压、锻造等物料自动搬运生产线,包装、物料自动化设备,ERP和MES管理软件。真正做到信息化和自动化相结合,提供全面的数字化工厂解决方案。
通过“信息物理系统”(CPS)这一以数字化为特征的转型升级路径,在充分利用先进的嵌入式等技术的情况下,通过纵向、端对端及横向集成,实现企业内、企业间、生态圈的集成,从而达到高度自动化、数字化、网络化、智能化、个性化、社会化的生产与服务模式,并实现由局部优化到整体优化的质变与转型升级,从而实现企业的核心竞争力处于较高水平。具体来说就是为企业提供智能工厂(工业4.0)的解决方案,生产设备自动化升级改造,机加工、冲压、锻造等物料自动搬运生产线,包装、物料自动化设备,以及MES制造执行系统管理软件。真正做到信息化和自动化相结合,提供全面的数字化工厂解决方案。我们还专门开发了轻量化、成本低的小型MES制造管理软件,大大降低了企业成本,缩短了实施周期,使企业立马能够看到效果,使得中小型企业也可以进行数字化工厂的改造,降低企业的运行成本,并提高产品质量。

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