《基於SMA多肌耦合柔性腕足的仿生章魚運動機理研究》是依託中國科學技術大學，由許旻擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於SMA多肌耦合柔性腕足的仿生章魚運動機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：許旻
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
章魚是一種在水下具有高靈活性、高機動性的海洋軟體生物，具有柔性腕足的仿生章魚型機器人相對於有限自由度的剛體機器人有著更加靈活廣闊的套用前景。本項目通過對章魚腕足的生理結構、形態特性、運動學及水動力多方面進行研究，利用圖像處理、奇異值分析解耦的技術手段，建立章魚腕足水下複雜三維運動的運動學、動力學模型；提出一種基於形狀記憶合金（SMA）縱肌-橫肌耦合驅動、具有柔性支撐結構且可變剛度的柔性腕足仿生單元設計，並以此為基礎研製能夠實現多運動模式的仿生章魚型機器人，通過將章魚腕足複雜三維運動的理論模型套用於原理樣機的仿生控制，從而闡明肌肉性靜水骨骼多肌耦合致動能夠實現靈活運動的內在機理。這項研究將為無限自由度、超冗餘連續型柔性仿生機器人的運動學、動力學建模及控制提供理論基礎；為連續型仿生機器人柔性肢體的實現結構及控制方式提供設計參考；為資源勘探、排險救援和軍事偵察等領域的機器人開發套用提供新思路。
結題摘要
針對目前剛性結構機器人在靈活適應性、人機協作安全性、製造成本等方面的技術困境，機器人學界和產業界對軟體機器人頗為關注。然而，目前軟體機器人無論從結構設計製造，還是運動建模控制等方面都存在諸多科學問題和技術難題。 參照章魚的生理結構以及運動機理，研製具有柔性腕足的仿章魚軟體機器人，使其不但具有和章魚類似的高效、靈活、隱蔽的運動能力，而且柔性腕足還可以充當機械臂對目標進行抓取、拖曳等操作，可成為資源勘探、排險救援和軍事偵察等領域的解決方案，具有較好的套用前景。通過對仿章魚軟體機器人的研究，可為軟體機器人研究中存在的設計製造、運動建模與控制等科學問題和技術難題的解決提供一定的參考和借鑑。 本項目的主要研究內容包括（a）章魚運動過程中腕足的形態學、運動學研究；（b）柔性腕足單元模組的結構設計及加工方法研究；（c）基於感測反饋的柔性腕足單元運動控制研究；（d）單柔性腕足變形運動控制實驗研究；（e）仿生章魚柔性機器人爬行、遊動姿態控制實驗研究。 在對SMA驅動方式進行研究的基礎上，提出了基於位置感測反饋控制的全向彎曲柔性腕足單元模組和基於電阻自適應反饋控制的雙向彎曲柔性腕足單元模組結構，並在控制研究中取得良好的實驗效果；以此為基礎，研究仿章魚腕足的軟體機器人和仿章魚軟體機器人，可實現在三維空間的柔性彎曲抓取和陸地爬行、水中噴水射流遊動。 基於位置感測反饋控制的柔性腕足單元控制方法改變了傳統SMA的0-1驅動控制方法，實現了對SMA驅動元件相變中間態的控制，使得SMA元件的相變變形成為連續精確可控，該方法也適用於對不同軟體機器人彎曲連續運動的精確控制；基於電阻自適應反饋控制柔性單元控制方法，改進了目前採用SMA為驅動元件的柔性模組動作頻率低，位置重複性差的缺點。設計的兩種柔性驅動模組結構，集驅動、控制於一身。通過對其加工工藝進行分析、最佳化，這兩種柔性驅動模組具有比較強的通用性，可以進行批量化生產，作為人工肌肉套用於不同軟體機器人中，從而簡化軟體機器人的設計，為軟體機器人開發套用提供新思路。
