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具有多运动模式的可变形软体机器人研究
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3秒自动关闭窗口美研制出可灵活移动的软体机器人
新华网华盛顿１２月１日电（记者任海军）机械工程师常使用刚性金属材料制造，但这类机器人通常分量重且昂贵，能执行的动作类型有限，还难以在复杂地形中行进。日前，美国哈佛大学的研究人员开发出一种可以灵活的软体机器人，它能够爬行、扭动，并蠕动穿过坚硬、狭小的空间。
哈佛大学化学与化学生物系教授乔治·怀特赛德等人在美国《国家科学院学报》网站上报告说，他们在乌贼和海星等缺乏硬骨骼动物的启发下，用柔软和有弹性的聚合物制造出一个软体机器人，其身长约１６．７厘米，４条腿可以通过低压空气的压缩驱动。
这个机器人的每一条腿都能独立操控，从而实现匍匐、滑行等一系列。为测试它的性能，研究人员操纵它完成一系列有协调性的运动，以便从一个摆放位置距地面仅两厘米的玻璃碟子下面钻过去。机器人来来回回钻了１５次，多数情况下每次耗时不到一分钟。此外，在不断膨胀或缩小的情况下，机器人都没有破损。
研究人员表示，由于软体机器人可以把简单的设计与复杂的运动结合起来，而且比金属机器人更能承受某些机械损害，可能有助于克服金属机器人在应用方面的局限性。
然而这一机器人也存在不足，比如它依赖外部电源。研究人员目前正在寻找解决方法，希望在其投入应用前解决并改进其运动速度。
(本文来源：新华网)
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& 软体机器人和刚性机器人有什么区别？
软体机器人和刚性机器人有什么区别？
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University of Science and Technology of China
博士学位论义
论文题目 具有多逍动模式的
可支形趺体I人研免
学科专业 精#仪及?机械
导师姓名 杨杰教提张世武到教提
二一三年六月
肀(S科摩裁水大摩
博士学位论文
具有多运动模式的
可变形软体机器人研究
学科专业: 精密仪器及机械
导师姓名:杨杰教授,张世武副教授
完成时间: 二?一三年五月二日
University of Science and Technology of China
A dissertation for doctor's degree
The research on the
deformable soft robot with
multi-locomotion modes
Author's Name:
Specialit: Precision Instrumentation and Machinery
Supervisor: Prof. Jie Yang, Asso.Prof. Shiwu Zhang
Finished time: May 2nd, 2013
中国科学技术大学学位论文原创性声明
本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研宄工作所取得的
成果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或
撰写过的研宄成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作
了明确的说明。
作者签名:柄
中国科学技术大学学位论文授权使用声明
作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学
拥有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构
送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入《中
国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描
等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内
容相一致。
保密的学位论文在解密后也遵守此规定。
口保密(__年)
作者签名:iif
签字日期:(J- in - (o
具有无限自由度和连续变形能力,可在大范围内任意改变自身形状和尺寸的软体动
物在自然界中具有极强的适应能力。发展具备类似能力的仿生软体机器人,一直是各国
研究人员的目标。作为对仿生机器人研究的延续,仿生软体机器人通过主动变形和被动
变形的结合使其具有出色的运动灵活性和对复杂环境的相容性,在军事、科研、医疗等
领域具有广泛的应用前景。
针对当前仿生软体机器人存在运动模式单一,运动效率和环境适应能力不能有效兼
顾的问题,本论文以能实现三种运动模式的仿生软体机器人为研究对象,围绕着仿生软
体机器人三种运动模式的实现机制,开展了仿生软体机器人多运动模式实现原理研究,
仿生软体机器人整体结构设计研究,仿生软体机器人运动特性研究以及内嵌SMA丝的
平板弯曲驱动器动态特性研究等工作。论文的主要研究内容和成果如下:
(1)通过分析自然界中各种软体动物的运动特点,在已有研究工作的基础上,结合形
状记忆合金的特性,设计了一种将滚动运动、蠕动运动和Q型运动方式集合在一
起的可变形仿生软体机器人。在平坦路面上,通过自身的柔性变形推动仿生软体
机器人向前滚动运动,以提高其运动速度和运动效率;在通过狭小空间时,身体
展开采用蠕动运动以提高通过性;而遇到沟壑或者障碍时,身体变形用Q型前
进提高其越障能力。通过对仿生软体机器人的三种运动模式进行详细的研究,获
得了软体机器人实现三种运动模式的运动机理,然后在此基础上完成了软体机器
人的总体方案设计。软体机器人采用模块化的设计思想,由运动单元和分离单元
组成。每个运动单元包括了偏转单元和蠕动单元,设计了软体机器人的偏转单元
和蠕动运动单元以及头尾连接结构。
(2)利用多刚体运动学仿真软件ADAMS对仿生软体机器人两种典型的运动模式,滚
动运动和蠕动运动,进行运动学的仿真分析。基于伪刚体模型建立了仿生软体机
器人在ADAMS中的滚动仿真模型,通过调整弹簧力的施加时序,使得机器人的
滚动达到最优,获得了仿生软体机器人在X轴方向(滚动方向)和Y轴方向(垂
直于滚动运动方向)的运动位移和速度曲线图,给出了仿生软体机器人滚动运动
的控制策略。建立了软体机器人在ADAMS中的蠕动运动仿真模型,采用微型锯
齿结构来模拟仿生刚毛结构和粗糙的地面,获得了软体机器人在X轴方向(蠕动
运动方向)上的运动位移和速度曲线图,并分析了运动特性。利用实验室现有的
材料和设备,加工一个仿生软体机器人的原理样机,米用AB胶来粘结软体机器
人的各个运动单元,简化了软体机器人的结构,设计了可同时控制24路SMA偏
转驱动器的仿生软体机器人运动控制系统。验证了采用粘结的方式连接仿生软体
机器人头尾可以从环形运动状态转换到直线运动状态,以及通过实验的方法对软
体机器人的滚动运动特性进行了研究(机器人可以在6s的内可以滚动160mm)
(3) 基于三维空间力系平衡关系,分别建立了 SMA线性致动器的力学平衡方程和弹
性基板的力平衡方程和力矩平衡方程,综合SMA线性致动器的平衡方程和弹性
基板的平衡方程即可获得平板弯曲驱动器的动力学平衡方程,并引入SMA本构
方程和SMA热力学平衡方程,在已知平板驱动器各个参数的情况下,使得平板
弯曲驱动器的偏转过程可以被有效的预测出来。
(4)对SMA准静态热/力耦合特性、动态热/力耦合特性及本构模型进行了详细的实
验研究,并重点研究了 SMA丝在不同应力条件下相变温度随应变的变化而改变
的特性以及不同应变速率情况下的应力-应变特性。基于SMA具有输出力大、变
形大、较高功重比、低电压驱动和寿命长的特性,设计了性能稳定且可靠的内嵌
SMA丝的平板弯曲驱动器,并通过仿真和实验对其偏转特性进行详细的研究。
通过仿真和实验结果的对比,验证了平板驱动器力学模型的正确性,同时发现平
板弯曲驱动器的偏转角度和输出弯矩有着近似的线性关系,并且用脉冲电流对
SMA丝加热的方式可以有效的提高驱动器的输出效率。
关键词:仿生软体机器人,形状记忆合金,内嵌式平板弯曲驱动器,滚动运动,蠕动运
动,仿尺蠖运动
With infinite degrees of freedom and continuous deformation capacity,the mollusks can
arbitrarily change their shapes and sizes so that they have a strong ability to adapt to the
natural environment. Developed the bionic robot with similar biological ability is the target
for the researchers from all over the world. As a continuation of the bio-robot research, the
bionic soft robots have an excellent flexibility and compatibility to the complex environment,
through the combination of active deformation and passive deformation. This type of robots
has broad application prospects in the military, scientific research, medical and other fields.
The bionic soft robot has the problem that the movement pattern is very single, the
movement efficiency and the environmental adaptability can not effectively take into account.
In order to solve this problem, this thesis takes the soft robot which has three locomotion
modes as the research object. Surrounding the implementation mechanisms for accomplishing
the multi-locomotion modes,this dissertation carried out the reasearch of multi-locomotion
modes bionic implementation principle, the study of how to implementate the bionic soft
robot overall structure, the reasearch of the dynamic characteristics of the plannar bending
actuator embedded SMA wire and the study of the motion characteristics of the bionic soft
robot, etc. The main research contents and contributions of this paper are listed as follows:
(1) By analysis of the movement characteristics of the nature mollusks,a bionic soft robot
which has rolling motion, peristaltic movements and omega-type motion is designed
based on the existing research work and combination of the characteristics of the shape
memory alloy. On a flat road, the bionic soft robot uses the rolling movement to improve
the movement speed and movement efficiency through the
is expanded to use the peristaltic movement to improve the ablitiy of through the narrow
包含各类专业文献、高等教育、生活休闲娱乐、文学作品欣赏、应用写作文书、行业资料、各类资格考试、具有多运动模式的可变形软体机器人研究_杜勇64等内容。　}