基于摩擦操控与电机-肌腱驱动的软体机器人设计与运动控制

由软材料构建的机器人可按特定轮廓改变其形状和尺寸。这种变形能力对救援机器人及那些在未知地形和环境中操作的机器人极为有用。在变形过程中，软材料还储存和释放弹性能量，这一特性可被用于实现有效的机器人运动。然而，这些运动软体机器人的设计与控制并非易事。本研究提出了一种具备运动能力的3D打印、电机-肌腱驱动的软体机器人的设计方法。除形状变化外，该机器人利用摩擦操控机制来实现运动。电机-肌腱执行器由沿给定路径嵌入软体结构内部的尼龙腱组成，其一端固定于本体，另一端连接电机。这些执行器直接控制软体的变形，进而影响机器人的运动行为。静应力分析被用作设计嵌入本体内的这些腱路径形状的工具。该研究还提出了一种新颖的用于软体机器人的无模型基于学习的控制方法，此类机器人在离散接触点与环境交互。该方法将主导机器人-环境交互的因素离散化为状态，学习机器人于这些状态间转移的结果，并评估优化对应于运动任务（旋转或平移）的代价函数的期望周期状态控制序列。巧妙的离散化使得框架存在于机器人的任务空间中，从而便于在不对执行器、本体材料或摩擦机制细节建模的情况下计算控制序列。该框架的灵活性通过将其应用于具有不同摩擦机制和不同腱路径形状的机器人进行了实验探索。