輻射對稱仿生柔體機器人協(xié)同推進機理及實現(xiàn)技術(shù).pdf

1、通過千百萬年的自然演變和優(yōu)化選擇，生物體獲得了高效的運動能力和對環(huán)境的高度適應(yīng)性。從海洋到大陸的過渡地帶，存在著沙灘、礁巖、泥淖、亂石、沼澤等多種介質(zhì)環(huán)境，仿照棲息于此的柔體動物結(jié)構(gòu)特性及運動步態(tài)，研制出具有仿生結(jié)構(gòu)的柔體機器人，探索其與自然環(huán)境良好的交互適應(yīng)性及在多介質(zhì)地形中的運動推進機理，以期在資源勘探、排險救援、環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本文圍繞多環(huán)境介質(zhì)下輻射對稱結(jié)構(gòu)的柔體機器人推進機理及實現(xiàn)方法展開仿生運動學(xué)、

2、柔性體建模分析、形狀記憶合金(SMA)材料特性研究、柔體機器人制備方法、多模步態(tài)控制等一系列工作，主要研究內(nèi)容及成果歸納如下:
　　(1)輻射對稱柔體仿生研究及兩側(cè)對稱機器人探索。通過對典型輻射對稱型動物深入調(diào)研分析，歸納出其基本結(jié)構(gòu)特點及步態(tài)運動模式。參照深紅海星仿生學(xué)參數(shù)，研制出輻射對稱型柔體機器人，并選取了高功重比、變形大、易控制的SMA彈簧作為致動器以滿足柔性大變形需求。在3D打印快速成型平臺基礎(chǔ)上，發(fā)展了仿生柔體機器人制

3、備方法，不僅人人縮短了研制周期而且有效促進了仿生結(jié)構(gòu)的改進優(yōu)化。同時，以蜥蜴和烏龜為仿生對象，對具有連續(xù)型柔性足的兩側(cè)對稱型機器人推進性能開展了初步的研究探索。由凸輪繩索機構(gòu)驅(qū)動的機器人具備以三角步態(tài)、對角步態(tài)在草地等地形環(huán)境通過性能，為完全柔性的輻射對稱型機器人多介質(zhì)環(huán)境推進機理探索研究奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)柔體機器人建模分析與SMA特性研究。歸納總結(jié)了柔性足常見的變形描述和建模方法，并對柔性足端工作空間進行初步建模。通過對兩

4、種輻射對稱型柔體機器人單足綜合性能的對比分析發(fā)現(xiàn)，在非水下環(huán)境中，采用非密封式SMA致動器內(nèi)嵌驅(qū)動布置可使機器人獲得更大的柔性變形和更快的動作響應(yīng)。此外，將柔性足彎曲變形過程等效簡化為平面懸臂梁的彎曲變形，進而建立起偽剛體模型，并給出自由末端位置求解的公式。通過Brayan修正D-H法建立了多足輻射對稱柔體機器人的運動學(xué)模型，基于外部測量技術(shù)獲得變形過程中驅(qū)動器長度與柔性足彎曲變形角度的對應(yīng)變化關(guān)系。對SMA準(zhǔn)靜態(tài)熱/力耦合特性和本構(gòu)模

5、型的研究探索，獲取了SMA馬氏體、奧氏體相變發(fā)生過程以及相變溫度和相變熱焓值，并觀測到其不完全相變過程中所特有的“溫度記憶”效應(yīng)。同時，SMA彈簧的變位分析獲取了柔體機器人控制所需的必備數(shù)據(jù)信息。
　　(3)柔體機器人多模步態(tài)控制研究。借助于路徑規(guī)劃中廣泛采用的人工勢場法及其改進方法，重點開展了柔體機器人在固定障礙環(huán)境和移動障礙環(huán)境下朝目標(biāo)點前進中的路徑規(guī)劃避障問題，并進行仿真驗證。在輻射對稱動物基本運動步態(tài)的歸納總結(jié)基礎(chǔ)上，探討

6、了柔體機器人運動機理，給出了輻射對稱型柔體機器人平坦地形爬行、越障、避障、滾動等步態(tài)的運動策略及控制模式。對中樞模式發(fā)生器(CPG)的生物學(xué)機制、控制模型進行了詳盡的歸納總結(jié)，探討了CPG節(jié)律產(chǎn)生的細胞機制以及其與動作執(zhí)行系統(tǒng)的全局攜帶關(guān)系。同時，基于Wilson-Cowan模型開展五足輻射對稱柔體機器人的CPG控制探索，進行了柔性足等幅等頻變形和變幅變頻變形的仿真實驗，設(shè)計了柔性足彎曲運動的神經(jīng)元估計器和仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

7、r>　　(4)多介質(zhì)地形環(huán)境推進機理研究。描述了典型介質(zhì)環(huán)境特性，并選取平地、沙地、亂石、泥地、障礙和巖石這六種介質(zhì)開展五足輻射對稱型柔體機器人推進性能實驗，通過對應(yīng)的仿生運動步態(tài)、控制策略、動作切換，機器人均可順利穿行不同的地形環(huán)境到達目標(biāo)位置。實驗結(jié)果表明，五輻對稱型柔體機器人具備完全的多介質(zhì)環(huán)境協(xié)同推進及地形適應(yīng)性能;同時，在固定時長內(nèi)，機器人在沙地爬行的距離最遠，其速度是在亂石環(huán)境下和平地爬行速度的6.5倍與2.2倍。此外，對機

8、器人抵抗擠壓變形和沖擊性能測試結(jié)果也驗證了其良好的魯棒性。更進一步地，根據(jù)柔體動物形態(tài)學(xué)參數(shù)，研制了單足、三足、四足、五足和六足等五種足型的柔體機器人，來開展在多足型柔體機器人運動機理和推進性能探索，并得出了不同足數(shù)量的柔體機器人運動性能與其本體物理參數(shù)（質(zhì)量、體長）之間的對應(yīng)關(guān)系。實驗結(jié)果表明六足型機器人在固定時長內(nèi)具有最大的位移和平均運動步長，分別達到了251mm和20.8mm，體長較為接近的四足型和五足型機器人在相同地形條件下的運