振动驱动系统的建模、非光滑动力学分析与控制

This project is a fundamental research in both theory and application, which primarily aims at vibration-driven systems in environment with resistance. The following three scientific problems are mainly studied: (1) modeling and verification of vibration-driven systems; (2) analysis on dynamical effect induced by non-smooth friction in vibration-driven systems; (3) drive control, coupling control and optimization on vibration-driven systems. The major objectives of this project are to gain a better understanding of the motion mechanisms of vibration-driven system and construct corresponding dynamic models that accord with the features of worms' motions; to recognize the dynamical characteristics of vibration-driven systems in resistive environment, especially, the mechanism of both simple and complicated dynamical behaviors like Stick-slip motion and synchronization; to optimize the systems with well setted optimizing objectives that reflect both the motion efficiency and energy utilization efficiency, and to basically formulate the control and optimization theories for vibration-driven sytsems under combined action of time-delay and non-smooth parameters. In this project, based on the studies on dynamics, having profound knowledge on stick-slip and other complex dynamic behaviors of non-smooth vibration-driven systems as well as their dynamical mechanisms can favor the optimization of the system, design of the control strategy and the achievement of specified dynamic behaviors. Meanwhile, the project can give guidance to the design of bionic machines based on vibration-driven systems.

本项目定位于应用基础性研究,针对有阻力环境下的振动驱动系统,通过对(1)振动驱动系统的建模与验证；(2)振动驱动系统中非光滑摩擦力效应的分析；(3)振动驱动系统中的驱动控制、耦合控制与优化这三个科学问题的研究，深入了解振动驱动系统的运动原理并基于此建立符合蠕虫运动特征的动力学模型；认识有阻力环境下振动驱动系统的动力学特性，重点探索包括粘滑（Stick-slip）现象和同步现象在内的简单和复杂动力学行为的机理；设立能综合反映系统运动效率和能量利用率的优化目标并对系统进行运动优化，初步形成在时滞参数和非光滑参数共同作用下的优化控制方法。在本项目中，对动力学的研究是基础，深刻认识Stick-lip等非光滑系统所特有的动力学现象及其动力学机理则有助于系统的优化和控制策略的设计及各种指定动力学行为的获得，并对基于此的仿生机械的研制具有指导意义。

本项目以发展未来蠕虫型机器人及相关仿生设计前沿理论为目标，对一类振动驱动移动系统的建模、非光滑动力学与控制进行了研究。按照项目书提出的科学研究目标，研究主要围绕于以下三个科学问题：（1）振动驱动移动系统的建模与验证；（2）振动驱动移动系统中非光滑摩擦力效应的分析；（3）振动驱动移动系统的驱动控制、耦合控制和优化。通过四年的研究，项目取得了一些创新性成果，具体表现为：（1）建立了蠕虫型移动机器人多单元振动移动系统的动力学模型，提出运动直接分离法解得到系统的稳态平均速度；（2）提出利用振动驱动移动系统实现平面运动的方法，并建立了相应的驱动结构、驱动形式，实现了平面上的任意曲线轨迹； (3)首次对在非光滑摩擦力作用下振动驱动移动系统的Stick-Slip运动进行了分类，提出利用Stick-Slip运动的特征来优化振动驱动移动系统的新策略，在不增加能量输入的条件下，新策略可以显著提高系统移动的平均速度，实现系统的定向运动;（4）建立了蚯蚓型振动驱动移动机器人的运动学和动力学仿生模型，提出了蚯蚓型机器人移动步态的概念,依据蚯蚓的后退蠕动波一般化地设计和生成了机器人的运动步态，明确给出了步态参数与机器人动力学性能之间的关系，并首次开展了多单元蚯蚓型移动机器人步态的实验研究，验证了步态与机器人动力学性能之间的关系；（5）提出利用时滞转移振动驱动能量的控制策略和分节振动驱动移动系统中单元协调的对称群新的分析方法，建立了对称群、相位差排布和系统平均速度三者之间的关系，找到了对应于系统最大平均速度的最优相位差排布模式及其对称群。 . 项目共发表期刊论文27篇，国际会议论文4篇，其中SCI索引21篇，EI索引23篇，毕业研究生10人，其中博士毕业生5人，硕士毕业生5人，2人获得上海市优秀博士学位论文，3人获得校级优秀博士学位论文，1人获得国际学术会议最佳学生论文一等奖。毕业的项目组博士研究生3人获得国家自然科学青年基金。项目组获得国家基金委中-俄国际（地区）合作与交流项目（编号：11411130171）的资助，共举办了10次国际或国内学术会议，并有5次在国内外学术会议上做特邀报告。通过四年的工作，项目组完成了所有预定的研究目标。