快速滚动自组装软体机器人主动变形机理、动力学设计理论与控制方法研究

This project aims at the research of dynamics design theory, analytical methods and control of fast-rolling self-assembly soft robotics. Fast response mechanism and optimized design methods for dielectric elastomers flexible actuators are investigated. Active deformation and variable stiffness mechanisms of fast-rolling self-assembly soft robotics are revealed. Environmental adaptation characteristics, rolling motion efficiency and principles of structural design are investigated. Dynamics design theory and analytical methods for soft robotics with multiplex actuators-sensing-structural integration are proposed. The stiffness coupling mechanism and deformation compatibility relationship among multiplex actuators of fast rolling soft robotics are investigated. Experimental methods for the identification of key structure parameters and calibration of motion deformation are presented. Three-dimensional self-assembly manufacturing processes and fabricating methods for rolling soft robotics based on dielectric elastomers are investigated. The approaches of realizing stiffness distribution control, coordination control of multiplex actuators and self-adaptive gait control are developed. This project has great theoretical significance and practical value on the configuration design, dynamics theory and controllability of rolling soft robotics. It can provide theoretical basis and technical support for the actuation-sensing-structure integrating design of rolling soft robotics and their potential applications. It can also promote the development of dynamics and control disciplines of soft robotics.

本项目旨在研究快速滚动自组装软体机器人的动力学设计理论、分析方法及控制问题，研究介电弹性体柔性驱动器的快速响应机制和优化设计方法，揭示自组装软体机器人快速滚动的主动变形和变刚度机理，研究滚动运动的环境适应特征、滚动运动效率和结构设计原则，提出自组装软体机器人的多驱动器-传感-结构一体化动力学设计理论与分析方法，揭示滚动软体机器人中多链驱动器刚度之间的耦合作用机制及变形协调关系，提出机器人关键结构参数辨识和运动变形标定的实验方法，研究基于介电弹性体的滚动软体机器人三维自组装工艺和加工制造方法，发展滚动软体机器人的刚度分布控制、多驱动器协调控制和自适应步态控制方法。对滚动软体机器人的构型设计、动力学理论与可控性研究具有重要的理论意义与实际价值，为滚动软体机器人的驱动传感结构一体化设计及应用提供理论依据与技术支撑，对促进软体机器人动力学与控制学科的发展具有重要意义。

本项目针对快速滚动自组装软体机器人的动力学设计理论与可控性问题，开展滚动软体机器人快速滚动运动机理、主动变形和变刚度机制、动力学设计理论与分析方法、加工制造工艺及控制等方面的理论与实验研究。主要研究进展包括：提出了仿玉米叶介电弹性体柔性驱动器的变刚度力学模型与刚度调控机制，实现了器件抗弯刚度的大范围连续调节，并使承载力提升两个数量级；揭示了多节耦合介电弹性体柔性驱动器的多稳态变形及多节耦合作用机制，实现了多驱动器耦合的多样化主动变形、多构型稳定可靠维持和自由切换控制；提出了基于介电弹性体柔性驱动器的移动型软体机器人设计方法与控制策略，实现了软体机器人在平面内12个方向的自由爬行功能，及瞬时速度超过13身长/秒的高速滚动运动，达到移动型软体机器人运动速度的前列；另外研究了预储能型气动弹性驱动器的变刚度机理和快速响应机制，并基于此分别设计制作了仿羚羊跑跳和仿蝠鲼游动的快速移动型软体机器人，其平均速度分别达到6.3身长/秒和1.1身长/秒，均展现出较高的移动速度和运动性能。研究成果对滚动软体机器人的构型设计、动力学理论与可控性研究具有重要的理论意义与实际价值，为滚动软体机器人的驱动传感结构一体化设计及应用提供理论依据与技术支撑，对促进软体机器人动力学与控制学科的发展具有重要意义。并在国内外学术期刊上发表论文9篇。