基于保辛方法的刚-柔-软体机器人耦合系统的交互动力学特性研究

According to the characteristics of full communion between robot and human or external environment, and considering the rigid, flexible and soft coupling effects, dynamic model will be established. The Symplectic algorithm will be adapted to calculate the system behaviors featuring the nonlinear, variable stiffness and the dynamic switching comfort behavior. Based on the Hamilton variation principle, the dynamic model considering the interaction of rigid, flexible and soft body will be established. The Symplectic algorithm focusing on solving the interaction of rigid, flexible and soft body as well as the dynamic response, nonlinear large deformation and varied stiffness issues will also be established. In addition, the internal relationship between the physical conservation of the system and the calculation method will be explored to achieve the consistent between the numerical calculation and the mechanical conservation, with the aim to preserve numerical accuracy and stability of calculation process. Through the Symplectic conservation calculation method and solving process, the status of the forces transferring among the rigid, flexible and soft structure will be obtained, and the deformation and dynamic response of structure will be also simulated. A series of fundamental researches will be carried out for the great demand of the full communion robot.

面向未来机器人与人及工作环境共融的发展趋势，考虑机器人结构中刚—柔—软耦合作用，建立动力学分析模型，采用保辛算法研究系统的非线性、变刚度和切换动力学平顺性行为。基于Hamilton变分原理，建立共融机器人中刚—柔—软耦合结构的动力学分析模型；发展保辛算法重点研究刚—柔—软耦合相互作用以及在工作状态下的结构响应、大变形的非线性、变刚度问题。研究物理守恒性与保辛数值计算方法的内在关系，使数值计算方法与系统的力学（物理）守恒性在数学表述上达到一致，以确保计算结果的精度和计算过程的数值稳定性，形成一套有特色的保辛分析和计算体系。通过保辛计算方法和求解过程，获得力在刚—柔—软结构中的传递关系，模拟结构工作状态下的结构几何变形、动态响应，面向共融机器人的重大需求，开展相关问题的基础研究。

面向未来机器人与人及工作环境共融的发展趋势，需考虑机器人中的刚—柔—软耦合结构设计以及与环境的交互协同工作，上述需求导致描述其动力学行为的模型具有高维、强非线性、参数时变等显著特点，给系统的动力学建模和数值求解带来极大的挑战。保辛方法具有能够实现计算过程稳定、长时间模拟准确以及保持系统固有物理特性的特点，可以应用于刚—柔—软耦合系统的动力学与控制问题中。本项目基于保辛分析方法，研究了耦合机器人系统在结构参数切换等复杂环境下的非线性动力学行为，为解决刚—柔—软耦合系统的准确动力学建模、高效数值仿真等问题提供了新的研究方法，对于共融机器人动力学与控制问题的解决提供了新的研究思路。. 项目的主要研究内容为：探索了基于3D打印和阻塞原理的力学特性可调的刚—柔—软耦合结构；给出了刚度切换下刚—柔耦合系统的保辛数值算法及刚度变化规律；建立了介电弹性体软体驱动器耦合结构的分析模型及相应的辛数学方法，对于提升机器人的环境交互性能有着非常大的应用价值；提出了胶囊机器人在随机扰动环境下的动力学分析模型及最优控制方法，对胶囊机器人的结构设计以及实际控制具有指导意义；此外，针对几类微纳米机械系统的动力学问题，给出了辛计算方法，可为微型仿生水黾机器人水面运动性能分析、驱动设计以及解决微纳马达转子叶片的振动问题提供参考。. 项目执行期间，共发表学术论文15篇，其中SCI收录11篇；作为部分重要成果获得2018年度陕西省科学技术奖一等奖；本项目组作为牵头单位申报并获批了“复杂系统动力学与控制”工业和信息化部重点实验室；培养博士生4名，硕士生1名；与国内外学者进行了广泛的交流，特别是与中国航天钱学森空间实验室、英国牛津大学、英国利物浦大学等国内外知名研究机构开展合作研究，派出多名研究生进行联合培养；项目负责人应邀做学术报告8次，项目组成员参加机器人领域学术会议7次。