仿静水骨骼软体机器人的物态相变驱动与调控机理研究

采用轮式、腿式、履带式等刚性驱动方式的移动机器人在狭窄非结构化环境作业时，存在能耗加剧、难以穿越比自身小的障碍空间等局限性，已成为制约上述领域移动机器人发展的一个技术瓶颈。棘皮类动物海参利用胶原质"固-液态相变"促使肌体产生类似静水骨骼的变体驱动特性为突破这一局限提供了新的研究思路，通过对其变体运动方式的精确仿生建模将为设计可穿越狭小缝隙状障碍的软体机器人提供亟需的理论基础。本课题将深入研究海参通过物态相变促发变形驱动的机理，建立静水骨骼变体运动数学模型，设计非接触式仿生驱动结构，研究驱动单元形变程度、方向和时序的主动调控方法，研制出可无阻滞穿越自身宽度1/3窄缝的软体机器人原理样机。本研究融合了生物、力学、电子、控制和材料科学等前沿理论，研究成果将发明一种新型移动机器人驱动方式，可广泛应用于废墟搜救、医疗诊治和管道检修等领域，为突破非结构化环境下机器人柔性越障研究瓶颈提供新方法。

课题以解决传统刚性机器人难以在废墟，狭缝等狭小多变的空间中行动为目的，在研究海参静水骨骼特性的基础上，设计了仿静水骨骼相变软体机器人。课题主要涉及软体机器人机械结构设计，机器人的相变机理以及其调控机理的研究，相变机理数学模型建立，软体机器人运动步态及控制策略分析，机器人内模反馈控制系统搭建，利用时间戳BP神经网络实现对系统延时进行预测，同时进行软体机器人的形变，运动模式实验。实验证明了数学模型的准确性，展示了机器人能够灵活在崎岖的路面上行走和顺利通过宽度约为机器人1/3的窄缝特性。课题的研究为相变软体机器人的发展提供数学基础，理论基础和实验基础。