基于介电弹性体驱动器的软体机器人动力学建模与运动控制

This project studies dynamics modeling and motion controller design for the soft robot using the dielectric elastomer actuator. After analyzing the dynamic hysteresis characteristic (which is the frequency-stress coupling correlation) and the hysteresis-creep composite nonlinear characteristic of the dielectric elastomer material, the hysteresis-creep composite nonlinear model of this material is built and the inverse analytical expression of this model is constructed. A dynamic model of the dielectric elastomer actuator composed of the hysteretic-creep composite nonlinear subsystem, together with the high-order linear subsystem or the nonlinear subsystem is built, then a dynamics model of the whole cascade system composed of the dielectric elastomer actuator subsystem and robot body subsystem is constructed. The undetermined parameters of the dynamic model of the whole cascade system are identified by using the swarm intelligence optimization algorithm. Combining the inverse compensation feedforward controller design method, the adaptive robust feedback controller design method and the state observer design method, a motion control strategy for the soft robot using the dielectric elastomer actuator is proposed. This project will provide a feasible and effective new method for the motion control of the soft robot using the dielectric elastomer actuator, and has important theoretical significance and application value.

本项目以基于介电弹性体驱动器的软体机器人为对象，研究其动力学建模与运动控制器设计问题。在分析介电弹性体材料频率-应力耦合相关动态迟滞特性及迟滞-蠕变复合非线性特性的基础上，建立介电弹性体材料的迟滞-蠕变复合非线性模型并构造该模型的逆解析表达式；建立由迟滞-蠕变复合非线性系统和高阶线性系统或非线性系统组成的介电弹性体驱动器动力学模型，进而构建由介电弹性体驱动器和机器人本体组成的整体串级系统动力学模型，并借助群体智能优化算法对整体动力学模型的待定参数进行辨识；结合逆补偿前馈控制器设计方法、自适应鲁棒反馈控制器设计方法和系统状态观测器设计方法，提出一种针对基于介电弹性体驱动器的软体机器人的运动控制策略。通过本项目研究，为基于介电弹性体驱动器的软体机器人的运动控制提供一种可行有效的新方法，具有重要的理论意义和应用前景。

本项目以基于介电弹性体驱动器的软体机器人为对象，研究其动力学建模与运动控制器设计问题。在分析介电弹性体材料频率-应力耦合相关动态迟滞特性及迟滞-蠕变复合非线性特性的基础上，建立介电弹性体材料的迟滞-蠕变复合非线性模型并构造该模型的逆解析表达式。提出基于介电弹性体驱动器的软体机器人的动力学模型框架，并利用基于群体智能优化算法或非线性最小二乘算法的两步参数辨识方法对模型参数进行辨识，参数辨识后的动力学模型能够同时准确描述基于介电弹性体驱动器的软体机器人的迟滞-蠕变复合非线性特性及其它非线性特性。对基于介电弹性体驱动器的软体机器人动力学模型求逆，设计逆补偿前馈控制器补偿其迟滞-蠕变复合非线性；此外，设计反馈控制器消除逆补偿控制误差和系统不确定因素（参数摄动和外界扰动等）对系统控制精度的不利影响；结合逆补偿前馈控制方法和反馈控制方法，提出基于介电弹性体驱动器的软体机器人的运动控制策略实现其高精度运动控制目标。通过本项目研究，为基于介电弹性体驱动器的软体机器人的动力学建模和运动控制提供可行有效的新方法，具有显著的科学意义和重要的实际应用价值。