多足软体机器人仿生结构设计与多介质环境运动机理研究

Soft robots witch mimic the physiological structures and locomotion principles of the flexible body animals, play an important and unique application value in the fields of medical, exploration, rescue and reconnaissance, because of their both flexible athletic ability, natural concealment and safety. To arm at the problem of soft robots' locomotion adaptability in the water-land transition complex multi-medium environment with water, sand, mud and so on, this project studies the bionic structure design and multi-medium locomotion mechanism of the multi-limbs soft robots. Firstly, the flexible bionic structure distributed coupling actuated by shape memory alloy artificial muscles and cooled by micro channel liquid will be designed and fabricated, based on bionic research of structural physiology and morphological kinematics of starfish, octopus and other flexible body animals. Dynamic model and numerical solution of the Mechanical-thermal-electric Coupling system of this bionic structure will also be established, to research deformation control principle by SMA resistance self feedback and multi-model gaits generation and conversion control method of the bionic structure. Then, through the system simulation and experimental platform testing research, the multi-medium environment locomotion adaptability of the multi-legged soft robot will be clarified, to provide a new idea for the design of multi-limbs soft robot and promote the development in the research field of soft robotics.

模仿柔性体动物的生理结构及运动机理，从仿生学原理出发研制的软体机器人，兼具机动灵活的运动能力与天然的隐蔽性和安全性，在医疗、勘探、救援、侦察等领域有着重要而独特的应用价值。本项目针对多足软体机器人在水、沙滩、泥淖等水陆过渡多介质环境中的运动适应性问题，研究多足软体机器人的仿生结构设计及其在多介质环境中的运动机理。首先在海星、章鱼等柔性体动物结构生理学、形态运动学等仿生学研究基础上，设计和制造基于形状记忆合金人工肌肉分布式耦合驱动和微流管道液体冷却的柔性仿生结构，建立软体机器人仿生结构的力/热/电耦合系统动力学模型和数值求解方法，探究仿生结构的SMA电阻自反馈变形控制原理和多模步态协调控制方法；通过系统模型仿真和实验平台测试研究，阐明多足软体机器人的多介质环境运动适应性机制，为多足软体机器人的设计研究提供一条新思路，推动软体机器人领域的研究进展。

模仿柔性体动物的生理结构及运动机理，从仿生学原理出发研制的多足软体机器人，兼具机动灵活的运动能力与天然的隐蔽性和安全性，在医疗、勘探、救援、侦察等领域有着重要而独特的应用价值。本项目针对多足软体机器人在多介质环境中的运动适应性问题，研究多足软体机器人的仿生结构设计及其在多介质环境中的运动机理。首先，设计研制了基于形状记忆合金（SMA）细丝束的SMA人工肌肉单元，进一步优化提升了SMA人工肌肉的电热驱动控制性能，使其兼具大柔性变形、大输出力、高频率响应、高暴发性等独特优点。然后，在海星、章鱼等柔性体动物结构生理学和形态运动学等仿生学研究基础上，设计了基于分布式多肌耦合驱动的多足软体机器人仿生结构，并建立其运动仿真模型，分析主要设计参数对仿生结构性能的影响规律。在此基础上，进一步探究了多足软体机器人仿生结构的力/热/电耦合系统动力学建模和数值计算方法，研究给出了多足软体机器人柔性变形控制与多足协同步态控制方法，使得多足软体机器人具备在多环境介质下的爬行、游动、攀附等多模式运动步态，增强了软体机器人在多介质复杂环境中的适应性和机动性。本项目为软体机器人的仿生结构设计与制造提供了新的思路和技术实现途径，推动软件机器人方向的研究和应用。