摘要
软体机器人凭借自身柔软的身体构造、无限多自由度使其呈现出令人惊叹的身体智能与高度的环境适应能力。相异于传统机器人，软体机器人由可多自由度灵活形变的软质材料制成而非刚性材料，具有多自由度连续变形能力，在勘探救援、军事侦察、管道检测、微创手术等领域尤其是构造复杂、狭小冗长的非结构环境有着广泛的应用前景和无与伦比的优势。尚处于起步阶段的仿生蠕动软体机器人研究发展较快，在材料、设计、制备、控制等领域都有全新的应用，但是还面临着诸多困难与挑战，针对目前软体机器人目前存在的致动响应慢、负载能力不足、运动位姿难以精确控制的问题，以自然界的实蝇幼虫为仿生对象，开展基于温度与磁场双重响应控制的无束缚刚柔耦合SMA（形状记忆合金）仿生软体机器人设计研究。具体研究内容如下： (1)SMA骨架结构的形状记忆效应演变机制与磁热形变响应调控规律 明确了电磁感应加热效应与SMA形状记忆效应行为关系；发掘了SMA骨架结构的磁热响应形变规律；并建立了SMA骨架结构磁感应加热温升模型。研究发现SMA骨架结构横截面积对磁感应加热温升过程具有明显的影响，同时在交变磁场作用下SMA骨架加热变形角度为41°~9°（加热初期41°~30°，加热后期30°~9°，冷却恢复初期9°~32°，冷却恢复后期32°~41°）；获得了低温弯曲，高温伸直的SMA骨架结构形变行为的变化规律，弯曲范围为41°~8°，为实现刚柔耦合的SMA仿生软体机器人结构设计及磁热响应提供基础。 (2)仿实蝇幼虫刚柔耦合SMA软体机器人设计及样机制作 研制了建立具有本体仿生-SMA骨架结构结合外附软体皮肤结构一体化的无束缚仿实蝇幼虫刚柔耦合SMA软体机器人；探明不同硅胶基底对磁性软体皮肤材料形变性能的影响规律，实验表明30型号硅胶基底在在相同应力下应变高于50型硅胶基底；最终完成基于磁热双驱动的可控SMA仿生软体机器人样机制备方案并制作完成摩擦腹足角度为15°、30°、45°的样机，实现样机仿生蠕动爬行和弹性跳跃运动行为，为新型仿生软体机器人设计及致动研究提供新的视角与理论支撑。 (3)SMA仿生软体机器人磁热形变响应调控规律 搭建试验平台考察了交变磁场作用下SMA仿生软体机器人磁热形变响应调控规律，获得了温度变化与SMA仿生软体机器人位姿状态间的关系，实验表明SMA仿生软体机器人样机极限弯曲角度在38°~10°范围内。在交变电流7.6A频率425kHz下样机磁热弯曲角度范围为34°~12°，温度变化范围在37℃~22℃之间，样机磁热形变周期为30s，其中10s时达到极限形变量12°，30s时恢复初始状态34°，最终构建出软体机器人的磁感应加热电流、角度变化、表面温度分布与整体运动及变形之间的相互作用关系。 (4)磁热驱动SMA仿生软体机器人运动学与动力学研究 通过对不同摩擦腹足角度SMA仿生软体机器人样机的受力分析、零速度点分析、应变量分析以及摩擦腹足角度分析，建立了前后足摩擦系数、零速度点偏移量、运动步长之间的关系；研究SMA仿生软体机器人在交变磁场作用下蠕动爬行运动规律，探究不同磁感应交变电流控制下SMA仿生软体机器人的步长变化，30°摩擦腹足样机运动速度最快，与理论值一致，最高能达到9.00mm/min；模拟不同环境条件测试SMA软体机器人样机爬坡性能，结果证实样机最快能以6.00mm/min的速度在10°坡上爬坡运动，并构建了不同坡度下运动速率随摩擦腹足角度间的影响关系；针对实际应用中携带负载工作状态，搭建实验平台，研究样机不同载重状态下运动行为变化，获得不同摩擦腹足角度样机负载运动行为变化规律，即在承受三倍负载状态下最高能以4.57mm/min速度进行运动，最低速度损失为17%。
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