介电弹性体驱动的软体机器人一体化拓扑优化设计方法研究

Dielectric elastomers, due to their advantages of large voltage-induced deformation, quick response, etc, have enabled soft robots with a novel actuation mechanism. Meanwhile, their inherent material nonlinearities, electromechanical coupling effect and complex interplay with passive materials make modelling and design of soft robots unprecedentedly challenging. This project will apply the topology optimization theory to design of soft robots based on minimum energy dielectric elastomer structures. By combining the level-set-based geometric model, electromechanical model of dielectric elastomers and gradient-based topology optimization methods, this project will develop integrated design approach to soft robots driven by dielectric elastomers. The design approach will be applied to two common soft robotic applications, i.e. soft grippers and soft locomotive robots. This innovative project will develop the electromechanical analysis model for minimum energy dielectric elastomer structures subject to spatially-varying electric fields, and based on shape sensitivities, propose integrated topology optimization methods for soft robots in terms of the spatial electric fields and mechanical structures. This project will pave the way to theory and technology for novel soft robots with multi-functions and high integrity.

介电弹性体作为智能软材料因为其电致变形大、响应快等优势赋能软体机器人新型驱动机制，但同时其材料非线性、力电耦合、驱动-结构相互作用等特性也使得软体机器人系统建模和结构设计面临前所未有的挑战。本项目拟将拓扑优化的思想应用于软体机器人系统设计，以基于介电弹性体最小能量结构的软体机器人为研究对象，围绕基于水平集的隐式几何描述模型、介电弹性体力电耦合分析模型、基于梯度的拓扑优化方法三方面关键技术开展研究，构建基于介电弹性体的软体机器人驱动-结构一体化设计方法，并研制软体抓手和爬行机器人等典型应用的实验样机。本项目的创新性在于建立介电弹性体最小能量结构在复杂空间电场下的非线性大变形力电耦合分析模型，提出基于形状灵敏度的介电弹性体空间电场-支撑结构耦合拓扑优化设计方法，为实现多功能、高集成度的新型软体机器人提供理论与技术支撑。

介电弹性体机器人具有驱动-结构一体化和连续变形的特点，如何建立高维设计空间与运动性能之间的映射模型，进一步实现驱动-结构一体化逆向设计，是必须突破的关键科学问题。针对这一问题，本项目结合介电弹性体驱动器的非线性机电耦合模型与拓扑优化理论，引入动态水平集函数描述和跟踪驱动器表面电极的几何拓扑，建立了关联可变外加空间电场和输出位移场的非线性隐式模型，以驱动器在电场驱动作用下的运动位移场作为优化目标，发展了基于梯度的一体化优化方法，揭示了设计变量对驱动器运动形态和刚度特性的影响规律，研制了软体爬行机器人样机，验证了设计方法的有效性。所提优化方法首次在严格考虑几何、材料非线性的前提下解析表达了运动位移场对各设计变量的一阶导数，相比现有遗传算法大幅提高了收敛速度，确保了（局部）最优解。该方法为多自由度介电弹性体驱动器的逆向结构设计提供了一种高效的技术途径，克服了经验设计方法需要反复迭代和试错、设计周期长的不足。研究成果在IEEE/ASME T-MECH, IEEE RA-L等机器人领域旗舰期刊发表SCI论文8篇，研究人员在IEEE ICRA国际会议上做学术报告。在项目执行期间，负责人担任IEEE RA-M, IEEE RA-L副编辑。