柔性水压肌肉驱动的水下软体臂接触约束运动机理及阻抗控制研究

In view of the increasing driving capability and environment adaptability of soft manipulator underwater operation, this project combines water hydraulics and soft robotics technology, and carry out research on contact motion and compliance control of water hydraulic soft manipulator start from the basic theory of flexible water hydraulic muscle. The mechanical coupling mechanism and deformation characteristics of knitted fabrics are first studied, and the fabric restriction mechanism and driving characteristics of flexible hydraulic muscles are revealed. Then, based on the soft contact deformation analysis, the motion mechanism of soft manipulator under complex contact constraints is revealed. Finally, the water hydraulic principle and the impedance control strategy of soft manipulator for multi-point environmental contact is proposed, which provides comprehensive and in-depth theoretical support for improving the load capacity and contact compliance of the underwater soft manipulator. This project focuses on the basic research on water hydraulics and soft robotics application in underwater environment. The implementation of the project is of great significance for promoting the advancement of technology and theory of water hydraulic soft robotics and promoting the development of underwater operation equipment.

针对日益提升的水下作业软体臂负载驱动能力与复杂环境适应能力需求，本项目结合水液压传动与软体机器人技术，从织物增强的柔性水压肌肉基础理论入手，开展水液压驱动软体臂水下接触约束运动机理及柔顺控制的研究工作。研究针织织物力学耦合机理及形变特征，揭示柔性水压肌肉的织物限制机制及驱动特性，在分析软体臂接触约束界面形变规律基础上，揭示软体臂复杂接触约束下的运动机理，研究软体臂多柔性水压肌肉水液压驱动原理，进而提出面向多点环境接触的软体机械臂阻抗控制策略，为提升软体机械臂水下作业负载能力及环境接触顺应性提供全面深入的理论支撑。本项目着眼于水液压传动及软体机器人水下环境作业的应用基础研究，项目的实施对于推动我国水液压驱动软体机器人技术及理论前进，促进水下作业装备的发展具有重要的意义。

本项目围绕水液压传动与软体机器人的学科交叉，从柔性水压肌肉织物增强的基础理论入手，开展水液压软体臂接触约束运动机理及柔顺控制的研究工作。首先重点分析了典型针织、机织织物的力学耦合机理及形变特征，最终选用弹性织物作为水压肌肉的增强材料，并提出了基于拮抗机理的柔性水压肌肉变刚度控制方法；其次，本项目研究了水液压直驱系统工作原理及特点，建立了六自由度水液压直驱实验平台，研究了水压驱动下柔性肌肉的织物限制机制及驱动特性；在软体臂接触约束界面形变分析基础上，提出了基于SVC方法的软体臂接触约束运动机理，试验分析了软体臂环境接触约束下的运动特征；最后，在环境约束模型研究基础上，提出了基于接触前馈及位置反馈的SMC鲁棒控制策略，为提升软体机器人环境接触顺应性提供了理论支撑。在本项目资助下，研究成果发表学术论文20篇，其中SCI检索论文8篇，EI检索论文7篇，授权发明专利2项。获大连市科技进步一等奖1项、辽宁省科技进步一等奖1项。上述取得的研究成果及攻克的关键技术为推动我国水液压驱动软体机器人技术及理论前进，促进水下作业装备的发展具有重要的意义。