碳纳米管导电超弹性体软体机器人大变形致动及变刚度机制

The continuous deformation and infinite number of degrees of freedom are salient features of soft robot, which can greatly improve their environment adaptability. However, at present, the research of soft robot is still in the primary stage, several challenges including the soft materials and their characterization, the deforming actuation methods and the accuracy control methods need to be solved. In this project, unique soft robot artificial muscle material and fluid-electric field dual driven models are proposed to realize the control of large deformation and kinematic accuracy based on carbon nanotube (CNT) conductive super elastomer. The structural design, deformation constitutive model, variable stiffness mechanism, large deformation actuation mechanism and the control method of the deformation motion of the CNT conductive superelastic soft robot are to be studied. The two major scientific issues, i.e., the constitutive model for the mechanism of variable stiffness, and the dynamic principle of the CNT conductive superelastic soft robot are to be verified respectively. The structural design, the large deformation of the structure variable stiffness control and the accuracy control technology of large deformation induced actuation super superelastic soft robot are to be obtained. Finally, the design theory and method of CNT-based conductive super elastic soft bodied robots are established.

软体机器人具备连续变形和无限多自由度等优点，可大幅度提高环境适应能力，但目前软体机器人相关研究还处于初级阶段，在变形致动、柔性材料性能表征、运动精度控制等方面存在诸多难点。本项目拟基于碳纳米管导电超弹性体，创新提出独特的软体机器人人工肌肉材料和独特的流体、电场双重驱动模式来实现大变形和运动精度控制的方法，研究碳纳米管导电超弹性体软体机器人结构设计、形变本构模型、变刚度机制、大变形致动机理及变形运动精度控制方法，探明碳纳米管导电超弹性体结构本构模型与变刚度机制、碳纳米管导电超弹性体软体机器人的致动原理这两大科学问题，获得具备大变形致动能力的超弹性体软体机器人结构设计及大变形结构的变刚度控制和软体机器人精度控制三大技术，最终建立碳纳米管导电超弹性体软体机器人的设计理论与方法。

软体机器人具备连续变形和无限多自由度等优点，可大幅度提高环境适应能力，项目在执行期内主要围绕柔性致动、柔性传感以及人机共融等几个方面难题，基于碳纳米管导电超弹性体材料、硅胶材料等柔性聚合物材料，借助3D打印技术，采用模板法设计了气动、磁、热、光、电等多种能量驱动的软体致动器结构，分析测试了软体致动器的致动性能及影响因素，结合理论模拟构建了特征参数与致动性能的关系，揭示了软体致动器的致动规律。根据人体手指结构和运动特点，通过3D打印技术设计了一种符合人体手指运动规律的弯曲致动器，建立了弯曲致动器的静力学理论模型，借助Abaqus软件对弯曲致动器的弯曲性能进行有限元仿真分析。搭建了仿生手气动控制系统平台，利用弯曲传感器制备出可以监测手指弯曲信号的可穿戴式数据手套，实现了仿生手的远程控制。研究了电阻和电容原理的柔性传感器，在双向预拉伸的高弹性基底上铺设超定向碳纳米管膜，制备了一个可拉伸的电容式多信号响应传感器阵列，对其灵敏度进行了测试分析，最后将其集成应用于气动仿生手，实现了仿生手的自主控制。项目探明了碳纳米管导电超弹性体结构本构模型与变刚度机制、碳纳米管导电超弹性体软体机器人的致动原理这两大科学问题，获得具备大变形致动能力的超弹性体软体机器人结构设计及大变形结构的变刚度控制和软体机器人精度控制三大技术。对照项目研究任务书，已经完成了项目的研究内容，发表学术论文23 篇，申请发明专利 38 件，授权发明专利3件，培养硕士研究生8名，博士研究生2人，已毕业硕士研究生6人，青年教师3人，参加学术交流6次。