基于SMA多肌耦合柔性腕足的仿生章鱼运动机理研究

The octopus is a marine mollusk which has amazing flexibility and motion capabilities. The octopus-mimic robots with dexterous tentacles will have a wider application prospect relative to the rigid-body robots with just limited degrees of freedom in the future. In the research, the physical structure, morphological characteristics, kinematics and hydrodynamics of octopus tentacles will be studied. A three-dimensional kinematics and dynamics model for the octopus tentacles' complex movement underwater will be established by using the Image Processing and singular value decomposition(SVD) method. A bionic unit with flexible support structures and variable stiffness flexible tentacles based on the coupling activation of longitudinal muscle and transverse muscle implemented by the Shape Memory Alloy (SMA) was designed. And the bionic octopus robot with various movement modes will be developed. To realize the control of the bio-inspired prototype, the theoretical model of the tentacles' complex three-dimensional motion will be applied. Through the verificafion of the theoretical model, the internal mechanism of muscular hydrostatic which could achieve flexible movement through coupling actuation of muscle will be presented. This study will build a theoretical foundation for the research of the kinematics, dynamics modeling and control of hyper-redundant continuous flexible robot,provide a reference for the design and control of continuous flexible limbs of the bionic robot. It also will bring forward some new ideas for the robot development in the field of exploration, rescue and military reconnaissance.

章鱼是一种在水下具有高灵活性、高机动性的海洋软体生物，具有柔性腕足的仿生章鱼型机器人相对于有限自由度的刚体机器人有着更加灵活广阔的应用前景。本项目通过对章鱼腕足的生理结构、形态特性、运动学及水动力多方面进行研究，利用图像处理、奇异值分析解耦的技术手段，建立章鱼腕足水下复杂三维运动的运动学、动力学模型；提出一种基于形状记忆合金（SMA）纵肌-横肌耦合驱动、具有柔性支撑结构且可变刚度的柔性腕足仿生单元设计，并以此为基础研制能够实现多运动模式的仿生章鱼型机器人，通过将章鱼腕足复杂三维运动的理论模型应用于原理样机的仿生控制，从而阐明肌肉性静水骨骼多肌耦合致动能够实现灵活运动的内在机理。这项研究将为无限自由度、超冗余连续型柔性仿生机器人的运动学、动力学建模及控制提供理论基础；为连续型仿生机器人柔性肢体的实现结构及控制方式提供设计参考；为资源勘探、排险救援和军事侦察等领域的机器人开发应用提供新思路。

针对目前刚性结构机器人在灵活适应性、人机协作安全性、制造成本等方面的技术困境，机器人学界和产业界对软体机器人颇为关注。然而，目前软体机器人无论从结构设计制造，还是运动建模控制等方面都存在诸多科学问题和技术难题。. 参照章鱼的生理结构以及运动机理，研制具有柔性腕足的仿章鱼软体机器人，使其不但具有和章鱼类似的高效、灵活、隐蔽的运动能力，而且柔性腕足还可以充当机械臂对目标进行抓取、拖曳等操作，可成为资源勘探、排险救援和军事侦察等领域的解决方案，具有较好的应用前景。通过对仿章鱼软体机器人的研究，可为软体机器人研究中存在的设计制造、运动建模与控制等科学问题和技术难题的解决提供一定的参考和借鉴。. 本项目的主要研究内容包括a）章鱼运动过程中腕足的形态学、运动学研究；b）柔性腕足单元模块的结构设计及加工方法研究；c）基于传感反馈的柔性腕足单元运动控制研究；d）单柔性腕足变形运动控制实验研究；e）仿生章鱼柔性机器人爬行、游动姿态控制实验研究。. 在对SMA驱动方式进行研究的基础上，提出了基于位置传感反馈控制的全向弯曲柔性腕足单元模块和基于电阻自适应反馈控制的双向弯曲柔性腕足单元模块结构，并在控制研究中取得良好的实验效果；以此为基础，研究仿章鱼腕足的软体机器人和仿章鱼软体机器人，可实现在三维空间的柔性弯曲抓取和陆地爬行、水中喷水射流游动。. 基于位置传感反馈控制的柔性腕足单元控制方法改变了传统SMA的0-1驱动控制方法，实现了对SMA驱动元件相变中间态的控制，使得SMA元件的相变变形成为连续精确可控，该方法也适用于对不同软体机器人弯曲连续运动的精确控制；基于电阻自适应反馈控制柔性单元控制方法，改进了目前采用SMA为驱动元件的柔性模块动作频率低，位置重复性差的缺点。设计的两种柔性驱动模块结构，集驱动、控制于一身。通过对其加工工艺进行分析、优化，这两种柔性驱动模块具有比较强的通用性，可以进行批量化生产，作为人工肌肉应用于不同软体机器人中，从而简化软体机器人的设计，为软体机器人开发应用提供新思路。