基于尺蠖肌肉生物智能的软体机器人自适应低维控制研究

Considering the complex control of soft robots, this project puts forward the innovative ideas of the adaptive behavior of the nonlinear soft material and the body with active variable stiffness to motions based on the biological intelligence of muscles. With the assistant of the soft materials which are similar to muscles or cuticles, the adaptive low-dimensional control of a soft robot is realized by combining the basic motion gaits with the actively variable body stiffness. The proposal can precisely control the motions of the soft robot by simulating the neural control mechanism of inchworm movement and avoid constructing a complex kinematic model. As a result, the control method of soft robots is simplified and then the research and application of high-performance soft robots gets a good technical guarantee. In order to develop an original control method to cope with the problem of flexibly adaptive low-dimensional control of high-performance soft robots, this project is committed to solve the relevant critical issues both scientific and technical by exploring basic theories in the respects of constitutive modeling of soft material relating to muscles and soft tissue of inchworm, kinetic analysis coupling material nonlinearity, neural mechanics model of inchworm and adaptive mechanism of actively variable stiffness ,etc.

针对软体机器人复杂控制问题，本项目提出基于肌肉生物智能即“软材料非线性特性对运动的被动自适应+身体变刚度对运动的主动自适应”的创新思想，利用类似肌肉、角质层等软材料对运动辅助作用，通过基本运动步态融合本体主动变刚度的方法实现软体机器人自适应低维控制。由于该技术回避了软体机器人的复杂建模等问题，通过模拟尺蠖运动神经控制机理，实现其运动的精确调控，从而简化了软体机器人控制方法，为高性能软体机器人的研发和应用提供了技术保障。本项目将在尺蠖的肌肉、软组织等软材料的本构建模、耦合材料非线性特性的动力学分析、尺蠖神经力学模型和自适应主动变刚度机理等方面探索基础理论，解决其中涉及的关键科学问题和技术难题，从而为高性能软体机器人的灵活自适应低维控制发展一种原创性的控制方法。

项目针对软体机器人低维控制问题，利用弹簧阻尼模型描述了尺蠖肌肉非线性，构建了静水骨骼约束下尺蠖运动二维生物力学模型，揭示了尺蠖肌肉生物智能在其运动中的作用规律，即软材料非线性特性对运动的被动自适应和身体变刚度对运动的主动自适应规律；深入研究了尺蠖肌肉在静水骨骼结构约束下形成的“液-力耦合”的驱动和主动变刚度原理，创新性地提出了具有“液-力-电”耦合变刚度的结构和静电调控层阻塞变刚度结构，并设计了基于介电弹性体的“气-力-电”耦合球型驱动器和刚软混合气动驱动器，后者输出力是其自重的50倍；基于纤维约束气动软体驱动器和刚软混合气动驱动器分别设计制作了可“Ω”快速爬行的软体机器人和“可爬行可操作”的仿尺蠖多功能软体机器人，可在不同平面和杆上完成爬行运动；在此基础上，对此气动驱动器进行了应用扩展，设计并研制了面向脑卒中手部康复的软体机械手，通过融入脑机接口，实现了手部的主被动康复运动，机械手重149g，整个系统重不超过3kg，实现了可穿戴式康复，目前系统已经在医院进行测试。项目发表论文12篇，申请发明专利3项，其中授权发明专利2项，竞赛获奖2项，培养学生7名。