基于“甩尾弹射”跳跃机制的辐射对称柔性跳跃机器人

Based on elastic recoil of fish tail, Gambusia could perform a "tail-flip" jumping behavior, which has a strong robustness but with a poor controllability..The program propose a Gambusia-like bi-directional soft actuator actuated by shape memory alloys (SMAs) by using digital designation inspired by motor unit recruitment of muscle and "tail-flip" behavior of Gambusia. At first, we explore the control strategy of the soft actuator to perform the "tail-flip" behavior, and further then parametric analyse the "tail-flip" jumping mechanims. Furthermore, we modularly assemble an actinomorphic soft jumping robot in which the bi-directional soft actuators aremodular units. Benefiting from the multi-channel output of the soft actuator and the actinomophic structure, the soft jumping robot achieve multi-mode jumping motions including controllable vertical jump, directional jump and robust flip behavior..Based on soft robotics, the program quantify and complement the mechanism of "tail-flip" jumping behavior, and achieve a soft jumping robot with a nice controllability. The soft jumping robot not only replicate the high robustness property of the "tail-flip" jumping behavior, but also overcome its weak controllability.

“甩尾弹射”跳跃是柳条鱼依靠尾部弹性反冲实现的一种运动方式，其运动具有两个显著的优缺点：（1）跳跃无需过多调整，鲁棒性较强；但（2）可控性较差。.本项目通过对柳条鱼及其“甩尾弹射”跳跃机制的仿生调研分析，并模仿肌肉的运动单位募集机制，提出了一种基于形状记忆合金（SMA）、数字化设计方法的仿柳条鱼双向柔性驱动器，研究了脉冲电热实现驱动器类“甩尾弹射”跳跃动作的控制算法，并以此为基础研究了“甩尾弹射”跳跃机制的参数化分析方法。进一步的，以双向柔性驱动器为模块单元，模块化组装成辐射对称柔性跳跃机器人。基于多通道输出和辐射对称结构，研究了柔性四足机器人多模跳跃运动，实现了具有良好可控性的垂直跳跃、方向跳跃和高鲁棒性的翻滚跳跃动作。.本项目基于柔性机器人学，量化、完善了“甩尾弹射”跳跃的机制研究，实现了具有良好可控性的跳跃机器人设计，即再现了“甩尾弹射”跳跃的高鲁棒性优点，又克服其可控性较差的缺点。

本项目通过研究基于形状记忆合金（SMA）柔性驱动器的辐射对称柔性跳跃机器人关键问题，以探索“甩尾弹射”跳跃机制。重点开展了SMA柔性驱动器的设计与优化、SMA柔性驱动器热动力学分析及动力学建模分析、基于SMA柔性驱动器的辐射跳跃机器人设计与分析以及辐射对称柔性跳跃机器人多模态跳跃步态规划与控制研究。其中，基于柔性粘贴技术的SMA柔性驱动器具有在极高热响应（2毫秒）下稳定工作能力，可在1Hz运动频率下往复运动超过50万次；实验研究了SMA柔性驱动器实现“甩尾弹射”跳跃的最优参数，结果表明在20毫秒内完成SMA加热，SMA柔性驱动器的运动特性与柳条鱼“甩尾弹射”跳跃相似度最高；进一步，开展辐射对称柔性机器人类“甩尾弹射”跳跃研究，实现了辐射对称柔性跳跃机器人约50倍自身高度的跳跃，并完成了包括方向可控跳跃、翻滚跳跃和鲁棒跳跃在内的多模态跳跃运动。.除开展项目计划内容外，基于项目支持仍开展了其他三个方面的工作，一是SMA柔性驱动器精确运动控制，实现了基于模型反馈控制的SMA柔性驱动器精确运动控制；二是基于SMA柔性驱动器的智能灵巧手和柔性康复手套研究，以期扩展SMA在手部康复领域的应用；三是仿生舌头机器人和仿生扇贝运动机理研究，实现了机器人仿舌头和仿扇贝运动。这些研究工作对SMA柔性驱动器基础理论和应用研究以及机器人仿生学有着较为重要的意义。.