輻射對(duì)稱仿生柔體機(jī)器人協(xié)同推進(jìn)機(jī)理及實(shí)現(xiàn)技術(shù).pdf

1、通過(guò)千百萬(wàn)年的自然演變和優(yōu)化選擇，生物體獲得了高效的運(yùn)動(dòng)能力和對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)性。從海洋到大陸的過(guò)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(dòng)物結(jié)構(gòu)特性及運(yùn)動(dòng)步態(tài)，研制出具有仿生結(jié)構(gòu)的柔體機(jī)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(yùn)動(dòng)推進(jìn)機(jī)理，以期在資源勘探、排險(xiǎn)救援、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(duì)稱結(jié)構(gòu)的柔體機(jī)器人推進(jìn)機(jī)理及實(shí)現(xiàn)方法展開(kāi)仿生運(yùn)動(dòng)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(jī)器人制備方法、多模步態(tài)控制等一系列工作，主要研究?jī)?nèi)容及成果歸納如下:
　　(1)輻射對(duì)稱柔體仿生研究及兩側(cè)對(duì)稱機(jī)器人探索。通過(guò)對(duì)典型輻射對(duì)稱型動(dòng)物深入調(diào)研分析，歸納出其基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及步態(tài)運(yùn)動(dòng)模式。參照深紅海星仿生學(xué)參數(shù)，研制出輻射對(duì)稱型柔體機(jī)器人，并選取了高功重比、變形大、易控制的SMA彈簧作為致動(dòng)器以滿足柔性大變形需求。在3D打印快速成型平臺(tái)基礎(chǔ)上，發(fā)展了仿生柔體機(jī)器人制

3、備方法，不僅人人縮短了研制周期而且有效促進(jìn)了仿生結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化。同時(shí)，以蜥蜴和烏龜為仿生對(duì)象，對(duì)具有連續(xù)型柔性足的兩側(cè)對(duì)稱型機(jī)器人推進(jìn)性能開(kāi)展了初步的研究探索。由凸輪繩索機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人具備以三角步態(tài)、對(duì)角步態(tài)在草地等地形環(huán)境通過(guò)性能，為完全柔性的輻射對(duì)稱型機(jī)器人多介質(zhì)環(huán)境推進(jìn)機(jī)理探索研究奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)柔體機(jī)器人建模分析與SMA特性研究。歸納總結(jié)了柔性足常見(jiàn)的變形描述和建模方法，并對(duì)柔性足端工作空間進(jìn)行初步建模。通過(guò)對(duì)兩

4、種輻射對(duì)稱型柔體機(jī)器人單足綜合性能的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在非水下環(huán)境中，采用非密封式SMA致動(dòng)器內(nèi)嵌驅(qū)動(dòng)布置可使機(jī)器人獲得更大的柔性變形和更快的動(dòng)作響應(yīng)。此外，將柔性足彎曲變形過(guò)程等效簡(jiǎn)化為平面懸臂梁的彎曲變形，進(jìn)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(guò)Brayan修正D-H法建立了多足輻射對(duì)稱柔體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于外部測(cè)量技術(shù)獲得變形過(guò)程中驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度與柔性足彎曲變形角度的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系。對(duì)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(guò)程以及相變溫度和相變熱焓值，并觀測(cè)到其不完全相變過(guò)程中所特有的“溫度記憶”效應(yīng)。同時(shí)，SMA彈簧的變位分析獲取了柔體機(jī)器人控制所需的必備數(shù)據(jù)信息。
　　(3)柔體機(jī)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(shì)場(chǎng)法及其改進(jìn)方法，重點(diǎn)開(kāi)展了柔體機(jī)器人在固定障礙環(huán)境和移動(dòng)障礙環(huán)境下朝目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn)中的路徑規(guī)劃避障問(wèn)題，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在輻射對(duì)稱動(dòng)物基本運(yùn)動(dòng)步態(tài)的歸納總結(jié)基礎(chǔ)上，探討

6、了柔體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理，給出了輻射對(duì)稱型柔體機(jī)器人平坦地形爬行、越障、避障、滾動(dòng)等步態(tài)的運(yùn)動(dòng)策略及控制模式。對(duì)中樞模式發(fā)生器(CPG)的生物學(xué)機(jī)制、控制模型進(jìn)行了詳盡的歸納總結(jié)，探討了CPG節(jié)律產(chǎn)生的細(xì)胞機(jī)制以及其與動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)的全局?jǐn)y帶關(guān)系。同時(shí)，基于Wilson-Cowan模型開(kāi)展五足輻射對(duì)稱柔體機(jī)器人的CPG控制探索，進(jìn)行了柔性足等幅等頻變形和變幅變頻變形的仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了柔性足彎曲運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元估計(jì)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(jìn)機(jī)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(kāi)展五足輻射對(duì)稱型柔體機(jī)器人推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的仿生運(yùn)動(dòng)步態(tài)、控制策略、動(dòng)作切換，機(jī)器人均可順利穿行不同的地形環(huán)境到達(dá)目標(biāo)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，五輻對(duì)稱型柔體機(jī)器人具備完全的多介質(zhì)環(huán)境協(xié)同推進(jìn)及地形適應(yīng)性能;同時(shí)，在固定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，機(jī)器人在沙地爬行的距離最遠(yuǎn)，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(duì)機(jī)

8、器人抵抗擠壓變形和沖擊性能測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了其良好的魯棒性。更進(jìn)一步地，根據(jù)柔體動(dòng)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(jī)器人，來(lái)開(kāi)展在多足型柔體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理和推進(jìn)性能探索，并得出了不同足數(shù)量的柔體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能與其本體物理參數(shù)（質(zhì)量、體長(zhǎng)）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明六足型機(jī)器人在固定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)具有最大的位移和平均運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)，分別達(dá)到了251mm和20.8mm，體長(zhǎng)較為接近的四足型和五足型機(jī)器人在相同地形條件下的運(yùn)