面向非结构环境的软体机器人仿龙虾外骨骼机构学原理研究

Soft robot adopts bio-inspired design to provide dynamic adaptation while interacting with the unstructured environment, especially in novel robots for deep underwater applications or similar deep areas. The design theory of soft robots mainly focuses on the use of soft materials to mimic the biological forms and functions., there remains a research gap of dynamic adaptation for unstructured environment and bio-inspired structural design, including the fundamental design theories of soft robots, bio-inspired joint mechanism, and variable stiffness control integration. Challenges in these areas impede further development and application of bio-inspired, soft robots. This proposal aims at the mechanism theory of soft robots in unstructured environment. Starting from the rigid-soft coherent design of the lobster-inspired biological structure, this proposal focuses on the bio-mechanical design of lobster exoskeleton for advanced robots in underwater environment. Combing the soft robot technologies and rigid-body mechanism theories, this proposal research the fundamental theory for rigid-soft coherence mechanics. The interactions between the rigid and soft components in the coherent joint design provide the foundations for further research in variable stiffness control and mechanism theory. The results from this proposal serves the emerging need and the development of the enabling technologies of more advanced robot design for unstructured environment.

采用仿生设计的软体机器人通过本体构型的自主适应，实现非结构环境复杂动态交互，是面向深海等“深度”领域的新型机器人。现有软体机器人技术主要聚焦在结合软体材质的造型功能仿生，对仿生构型的软体适应性和非结构环境的动态交互之间的关系研究还很不够，特别是在软体机器人的基础机构设计理论、仿生铰链运动原理、变刚度驱控集成等三个方面的基础设计理论和方法仍未得到解决，制约了软体仿生机器人的发展和应用。本项目以面向非结构环境的软体机器人机构学原理为对象，以刚柔共生型仿龙虾外骨骼的机械结构为出发点，以深海非结构环境为代表探索特种软体机器人的设计构型，结合软体机器人技术和刚性机构学方法，研究基于刚柔共生型仿生机构学的基础科学理论，以龙虾外骨骼中高刚度与高柔性材料之间的刚柔共生结构为基础，通过建立运动学仿生机理和变刚度驱控方法，提出一套刚柔共生型仿生机构学的系统化设计方法，为特种机器人本体构型创新提供使能技术支撑。

面向非结构环境的刚柔共生型仿龙虾外骨骼机构学机理研究”的课题，以面向非结构环境的软体机器人机构学原理为对象，以刚柔共生型仿龙虾外骨骼机械结构的研究为出发点，以深海非结构环境为代表建立特种软体机器人的设计构型，结合软体机器人技术和刚性机构学方法，研究基于刚柔共生型仿生机构学的基础科学理论，以龙虾外骨骼中高刚度与高柔性材料之间的刚柔共生结构为基础，通过建立运动学仿生机理和变刚度驱控方法，提出一套刚柔共生型仿生机构学的系统化设计方法，为特种机器人本体构型创新提供使能技术支撑。..通过本项目研究过程中，对龙虾、螃蟹等甲纲类生物的外骨骼生理结构特点、自由度退化特性、变刚度驱动方式及实际观测数据，申请人提出了一套过约束机器人学的理论架构，以水下场景为启发、工业应用为参考、陆海两栖为核心，系统研究面向非结构复杂环境下的特种机器人可重构设计理论，以刚性过约束机构与柔性自适应结构为载体，结合机器学习与设计学习方法，通过本项目的研究已经产生阶段性成果与样机系统，初步建立了基于刚柔共生型仿生机构学的系统化设计方法，为特种机器人本体构型创新提供使能技术支撑，具有较好的科学意义。..结合本项目研究成果，围绕非结构环境的特种机器人技术应用具有多方面的前景。其中，针对面向国防领域非结构环境下的特种机器人研制、面向城市固体废弃物治理领域的垃圾智能分拣、面向柔性智能制造领域的仿生机器人柔性操控技术、以及面向陆海两栖领域的刚柔耦合可重构机器人设计与操控领域等四个应用领域，分别申报并获批了多个国家级及市级基础研究与应用基础研究项目，目前正在开展相应的技术攻关；此外由本项目所发明的全方向自适应过约束柔性结构及相关知识产权等专利成果，已成立了一家南科大校办企业，开展了面向智能教育装备行业的技术转化，已经产生了190万的技术转化价值。