基于快速静电释放原理的仿尺蠖软体爬壁机器人设计与控制

The aim of this project is to utilize dielectric-elastomer actuators and electroadhesion for developing an inchworm inspired soft wall-climbing robot. As the international frontier of soft robot technology, the development of soft wall-climbing robot is faced with many theoretical and technological issues, such as: i) Rapidly releasing electroadhesion; ii) Analyzing the stability and compensating for the viscoelastic nonlinearity of soft wall-climbing robot. To solve those challenges, the main research contents are organized as follows: i) Designing electroadhesive pad with the topological optimization method, investigating the principle of electrostatic residual and proposing a rapidly-released approach based on AC voltages; ii) Characterizing the working mechanism of inchworm and designing an inchworm inspired soft wall-climbing robot based on dielectric-elastomer actuators and electroadhesive pads; iii) Analyzing the failure models of the soft wall-climbing robot, establishing the stable conditions of the soft wall-climbing robot; modeling and compensating the viscoelastic nonlinearity of the soft wall-climbing robots; iv) Fabricating the dielectric-elastomer actuated soft wall-climbing robot and verifying the effectiveness of the developed dynamic models and controllers. The outcome of this project is expected to establish a solid theoretical and technical foundation for design, modeling and control of soft wall-climbing robot and also pave the way for practical applications of soft wall-climbing robot in the flied of detecting and cleaning.

本项目紧跟软体机器人技术的国际前沿，基于介电弹性体驱动器和静电吸附原理，研发驱动-结构一体化仿尺蠖软体爬壁机器人，重点解决“静电吸附的快速释放”、“软体爬壁机器人稳定性分析与粘弹性非线性补偿”两个关键难题。主要研究内容包括：1）基于拓扑优化理论完成静电吸盘的优化设计，并深入分析静电残留产生的机理，提出基于交流电压的静电吸附快速释放方法；2）表征尺蠖的运动机理，完成介电弹性体驱动-结构一体化仿尺蠖软体爬壁机器人设计；3）解析软体爬壁机器人的失效形式，建立软体爬壁机器人的稳定性条件，并结合连续介质力学理论提出软体爬壁机器人粘弹性非线性的建模与补偿方法；4）制作介电弹性体驱动-结构一体化软体爬壁机器人原理样机，验证所建模型与控制方法的有效性。通过以上研究，有望形成软体爬壁机器人设计、建模、控制的理论与方法，为软体爬壁机器人的实际使用提供技术支撑。

本项目紧跟软体机器人技术的国际前沿与热点，开展基于快速静电释放的仿尺蠖软体爬壁机器人设计与控制的理论和方法研究，重点解决“静电吸附的快速释放”、“介电弹性体作动器非线性动力学建模与补偿”、“多模态人工肌肉设计”等方面的理论和技术难题：1）针对静电吸附的静电残留问题，提出了基于可编程电压的静电吸附快速释放方法，实现了快速静电释放；2）针对介电弹性体作动器的粘弹性非线性，提出了基于代理滑模控制器的补偿方法，实现了高精度跟踪控制；3）针对介电弹性体作动器的非线性动力学行为，综合考虑了非线性机电耦合、率相关粘弹性、机械振动等，提出了介电弹性体作动器的通用动力学建模与控制方法，实现了不同构型介电弹性体作动器动力学的定量描述和精确控制；4）以静水压骨骼肌肌纤维阵列为灵感，提出了多模态气动软体作动器的平面设计与快速制造方法，实现了多种运动模态，包括伸长、弯曲、缩短、螺旋等；5）针对软体机器人的制造难题，提出了基于激光切割和层叠工艺的软体机器人快速制造方法，实现了不同构型软体机器人的一体化成型。在此基础上，开发了多种软体机器人原理样机，包括软体管道爬壁机器人、仿人灵巧软体手等。本项目研究成果在National Science Review、Advanced Intelligent System、Smart Materials and Structures等学术期刊和会议期刊发表论文4篇，其中SCI收录3篇，申请发明专利2项。