基于智能柔顺机构仿生毛虫运动机理的软体机器人设计和运动规律研究

The locomotion of soft-bodied robot in unstructured environment can achieved by changing its shape and size, and the robot has a wide application prospect in reconnaissance, detection, rescue and medical fields. The structure, kinematics law and gait strategy of soft-bodied robot is the key issues to be solved. By studying the locomotion law of caterpillar, the configuration design of the soft-bodied robot would be studied using the modular design method and the topology optimization method based on electroactive polymers and compliant mechanism. And the integration design of the mechanism, actuation and sensor can be obtained, thus it reveal the principle of soft-bodied robot mechanism constitution. Considering the nonlinear and multi-field coupling effect, the meshless method is applied to build the deformation, kinematics and dynamics model of the soft-bodied robot based on the physical effect of electroactive. The mapping rules between the structure and its parameters and the actuation, flexibility, kinematics and dynamics performance of the robot is explored. The function describing the motion morphology of the caterpillar is obtained in unstructured environment. The law of the gait characteristics of robot in various motion modes is explored, and the motion modeling describing the change of the gait is built. The vibration control technology is used to explore the gait strategy of the robot, thus the deformation and locomotion law in unstructured environment is revealed. The project will enrich the theory of design and kinematics of oft-bodied robot, and has important theoretical and practical significance to extend its engineering applications.

软体机器人通过改变自身形状和尺寸在非结构化环境下运动，在侦察、探测、救援及医疗等领域有广阔的应用前景。软体机器人的结构、运动规律及步态策略研究是亟待解决的关键问题。在研究毛虫的运动机理基础上，基于电活性聚合物和柔顺机构采用模块化思想和拓扑优化方法研究仿毛虫软体机器人构型设计，实现机构、驱动、传感一体化设计，揭示软体机器人机构组成原理；基于电活性聚合物物理效应并考虑非线性和多场耦合效应采用无网格法建立软体机器人的变形、运动及力学模型，探究机器人结构和结构参数与其驱动、柔度、运动和力学性能之间的映射规律；研究分析毛虫在不同非结构环境下的运动形态，基于毛虫的运动规律研究不同运动模式下的机器人步态特征规律，建立描述步态变化的运动模型，采用振动控制技术探索机器人的步态策略，揭示机器人在非结构环境下的变形和运动变化规律。本项目丰富了软体机器人的设计与运动学理论，对扩大其工程应用具有重要理论与实际意义。

软体机器人由软性材料制成，能通过改变自身的形状和尺寸以实现与其周围环境自适应的运动，在侦察、探测、救援及医疗等领域都有广阔的应用前景。本项目仿生生物运动规律对软体机器人的设计、力学建模和控制进行研究。主要成果如下：(1) 仿生毛虫运动规律设计一种软体机器人，该机器人采用SMA弹簧实现弯曲运动，采用刚毛实现前足和后足之间的摩擦差来模仿毛虫运动。实验结果表明软体机器人步距为23 mm，最快爬行速度可达3.43 mm/s。(2) 仿生蝠鲼鱼运动规律设计一种新型软体机器鱼，由能模仿蝠鲼鱼外形实现上下摆动运动的柔性鱼鳍结构、基板与尾鳍组成，采用SMA丝模拟蝠鲼鱼肌肉对柔性鱼鳍结构进行驱动。柔性胸鳍结构通过对布置在上、下侧的SMA丝进行周期性通断电压实现模仿蝠鲼鱼鱼鳍的上下摆动，使其产生驱动力实现游动运动。实验结果表明所设计软体机器鱼最大摆动角为42°，最快游动速度为23.4 mm/s。(3) 仿乌贼游动方式设计了一种脉冲喷射式水下软体机器人，该机器人由脉冲喷射机构和鳍波动机构组成。脉冲喷射机构的运动特征是利用管状折纸结构轴向伸缩带动内部体积变化，完成储水-喷水-储水-喷水的重复过程，实现脉冲推进功能；鳍波动机构采用呈流线型半圆的鱼鳍结构作往复摆动，实现鳍波动推进功能。测试结果表明，最大推进力为0.8 N，最大游动速度为10.5 cm/s。(4) 设计一种基于折纸结构的气动弯曲软体驱动器，驱动器利用折纸结构的大折展比，建立了反映软体驱动器的力学性能和运动学模型，结果表明所设计的驱动器具有较大运动空间。(5) 为了解决软体机器人变刚度问题，提出了一种具有良好顺应性、形状适应性和形状稳定性的新型线干扰变刚度机制。同时，基于线干扰变刚度技术设计了一种全向运动软体机器人，建立该软体机器人的运动及力学模型，揭示软体机器人运动状态和变化规律。发表学术论文19篇，其中EI收录9篇，授权发明专利1项，申请发明专利13项。上述的研究成果拓宽了软体机器人研究领域，对扩大其应用场合具有较好的理论和实际意义。