基于电磁骨骼肌驱动的仿水蛭爬壁机器人运动机理及特性研究

Leech is a kind of mollusk with flexible body and terrain adaptability. Basic theory research of leechlike wall climbing robot has significant scientific value. This subject studies the structural properties and motion mechanism of leech, analyzes its gait pattern on land, abstracts the body figure, constructs the basic modular configuration of leechlike wall climbing robot, which consists of the joint modules based on electromagnetic skeletal muscles composed with 3 DOF circular joint driven by multiple electromagnetic force, and the sucker modules based on vacuum suckers driven by shape memory alloy. Structure and magnetic field distribution of 3 DOF circular joint is studied to discuss the output properties. Construction method of the vacuum suckers driven by shape memory alloy is studied to analyze the working principle and determine the key parameters of vacuum degree. Motion relation of the joint modules and the sucker modules is studied. Dynamic characteristic of redundant arms on leechlike wall climbing robot is researched in 3D space. Counting of the working situation on typical structured surface, multi sensor technique is applied to achieve the functions of state detection and environmental sensing. The achievement of this subject could provide the necessary academic basis to the application process of flexible wormlike robot in China.

水蛭是身体柔性较好、对地形适应能力较强的一类软体动物，对于仿水蛭爬壁机器人的基础理论研究具有重要科学价值。本项目深入研究水蛭的结构特点及运动机理，分析其常见陆上运动步态规律，对水蛭体型进行抽象和归纳，建立仿水蛭爬壁机器人模块化基本构型，通过由多个电磁力驱动的三自由度环形关节组成的电磁骨骼肌系统构建仿生关节模块，由形状记忆合金驱动的真空负压吸盘构建仿生吸附模块；深入研究三自由度环形关节的结构及其磁场分布，探讨其输出特性；研究形状记忆合金驱动的真空负压吸盘构建方法，对其工作原理进行理论分析，确定影响真空度的关键参数；研究仿生关节模块与仿生吸附模块之间的运动力学关系；在三维空间内研究仿水蛭爬壁机器人冗余机械臂运动特性；针对典型结构化壁面环境下的工作要求，采用多传感器结合技术实现仿水蛭爬壁机器人的状态检测及环境感知功能。本项目成果将为推动软体仿虫机器人在我国的实用化进程提供必要的理论基础。

水蛭是身体柔性较好、对地形适应能力较强的一类软体动物，对于仿水蛭爬壁机器人的基础理论研究具有重要科学价值。本项目深入研究水蛭的结构特点及运动机理，分析其常见陆上运动步态规律，对水蛭体型进行抽象和归纳，建立仿水蛭爬壁机器人模块化基本构型。以核聚变反应舱内部的典型应用环境为例，通过由多个电磁力驱动的三自由度环形关节组成的电磁骨骼肌系统构建仿生关节模块，在结构上由前端的双重观测机构、中部的多个悬空机械臂和后端的直线轨道推送装置所组成，在控制上则采用轨道推送加悬臂调整的复合式操控方案；深入研究三自由度环形关节的结构及其运动自由度分布，探讨其输出特性。通过由形状记忆合金驱动的真空负压吸盘构建仿生吸附模块，采用由n个（n≥2）蠕动单元串联构成的链式结构方案，每个蠕动单元为一个三段式结构，由两个位于两端对称设置的前、后体节和一个可做轴向运动的中体节所组成；科学分析了包含机构锁紧力和系统进给力建模的机构驱动力学特性，从理论上分析与研究了仿生吸附模块机电动力学特性。通过构建多模块协调控制系统，研究仿生关节模块与仿生吸附模块之间的运动力学关系；对机器人各仿生模块的行走步态进行了规划和分析，并据此构建了一套多轴协调运动控制方案；在三维空间内研究仿水蛭爬壁机器人冗余机械臂运动特性，并分析了多模块协调控制系统对于仿水蛭爬壁机器人的动力学稳定性机理，研究了如何通过双向协调控制提升整个系统的负载能力。针对典型结构化壁面环境下的工作要求，采用力学、位置、光学等多传感器结合技术实现了仿水蛭爬壁机器人的状态检测及环境感知功能。为了验证所研发系统的有效性，实际搭建了核聚变舱的模拟壁面环境，并据此对所研制的原理样机各组成部分的基本运动及承载性能进行了测试。实验结果表明，所研制的机器人原理样机具备良好的运动力学性能以及承载性能。本项目成果将为推动软体仿虫机器人在我国的实用化进程提供必要的理论基础。