Science China Technological Sciences 2021年64卷第4期中文摘要

正近年来镓基导电材料的制备与应用研究王新鹏,郭家瑞,胡靓镓及其合金是一组在室温或室温附近熔点较低的金属材料.这些液态金属除了良好的导电性外,还具有优异的柔性和自愈性,这在柔性和可伸缩电子产品的发展中具有重要的价值.然而,受高表面张力和低黏度的限制,液态金属在过去几年无法应用于一些常见的微电子制造技术,如微电子机械等,这阻碍了它们在电子器件中的大规模生产.为了解决这些问题,拓宽液态金属在电子器件中的应用,研究者们做了各种尝试,特别是在最近几年取得了很大的进展.本文从液态金属基导电材料的制备、改性方法及其在柔性电子应用中的调节制备技术等方面综述了液态金属基导电材料的最新研究进展,并展望了液态金属基导电材料的发展前景和面临的挑战.     

高韧温敏复合水凝胶仿生变色鱼

韧性水凝胶具有超大弹性变形、高韧性、高透光性、良好的生物相容性等优势,在生物医疗、柔性电子、驱动传感、软机器等领域具有广泛应用前景.本文针对海洋生物的变色功能进行仿生模拟,合成了PAAMAlginate韧性水凝胶和PNIPAM温敏水凝胶,采用3D打印技术制作了仿生结构模具,通过倒模制备了高韧温敏复合水凝胶仿生鱼.制备的仿生鱼在常温下能与水体环境良好融合,在外界温度升高时可改变自身透明度和颜色,模拟海洋生物受外界刺激后的伪装行为.另外,该仿生鱼具有高韧性,在受到弯曲、扭转、冲击及印压作用后仍能恢复初始形状,无明显损伤.本文设计的高韧温敏复合水凝胶在软体仿生领域极具潜力,可为未来共融机器人的研发提供新思路.     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.     

全局环境未知时基于滚动窗口的机器人路径规划

研究了全局环境未知时机器人的路径规划问题,借鉴预测控制滚动优化原理,提出了基于滚动窗口的移动机器人路径规划方法.该法充分利用机器人实时测得的局部环境信息,以滚动方式进行在线规划,实现了优化与反馈的合理结合.探讨了规划算法的收敛性.     

基于电喷印集成制造阵列化嵌金属电极柔性微流体管道

微流控芯片在生物、化学、医学等领域受到了研究者们的广泛关注,尤其是含有金属电极的微流体管道在毛细电泳、电化学微量检测、生物医学工程和柔性电子领域具有广泛的需求前景.文章提出了一种简单按需制备阵列化嵌金属电极柔性微流体管道的方法.该方法基于电喷印直写技术并结合翻模和湿法刻蚀工艺,实现了嵌金属电极柔性微流体管道阵列的制备.首先,通过在线性转动接收基底上叠加直写聚乙烯醇(PVA)纤维,制备了可嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面光滑的线性凸起微结构(线宽为10～100μm,高宽比可大于1:2),并以此作为模板,实现了阵列化柔性微流体沟道的制造;其次,通过在平动接收基底上直写光刻胶作为保护层,并结合湿法刻蚀工艺,实现了在含有微流体沟道阵列的柔性基底上金属图案化导电电极(线宽低至5μm)的灵活制造;最后,对通入不同浓度盐溶液的微流体管道进行电学测试,验证了其管道的导通性和金属电极的导电性.结果表明:基于电喷印的集成制造流程可以灵活、简单、高效、低成本的按需加工阵列化嵌金属电极柔性微流体管道,有望应用在生物医学工程和柔性电子等领域.     

折纸机器人

21世纪以来,随着折纸结构在工程领域日益广泛的应用,折纸工程学这一新兴的交叉学科越来越受到人们的重视.刚性折纸作为折纸的一个重要分支,以其折展过程中面内无应变的特点而被应用于工程结构的设计中.此外,刚性折纸结构凭借良好的折叠特性也被大量用于机器人的设计中,由此产生了折纸机器人.它兼具折纸结构和机器人各自的优点,成为折纸工程学发展的新方向.根据折纸机器人中折纸结构所起的不同作用,可将其分为三类:骨架型折纸机器人、驱动型折纸机器人和外壳型折纸机器人.本文在总结国内外学者在此三大方向研究成果的基础上,概述了其中的科学问题和技术方法,最后得出未来折纸机器人骨架驱动一体化的发展是必然趋势的结论.     

掘进机截割部刚柔耦合动力学建模与仿真研究

将大位移运动与小变形刚-柔耦合体动力学的建模理论应用于掘进机截割部的动态特性研究,利用ANSYS把截割部的截割主轴和截割套筒生成模态中性文件,导入ADAMS中建立刚柔耦合虚拟样机并进行运动学和动力学仿真,研究柔性体对截割部的影响。通过与刚性体模型仿真结果对比,揭示了工作装置中柔性体与刚性体耦合时的运动学、动力学特性。仿真结果表明柔性耦合模型更加符合实际情况。     

具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人的移动机构与地面约束关系分析

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,提出并研制出一种对非结构环境具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人（NEZA-I）.NEZA-I由控制系统单元、尾轮单元和两个相同的可变形轮-履复合（Transformable wheel-track,TWT）移动模块组成.每个TWT模块能够在一个驱动力的作用下以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力而改变运动模式（即＂轮式-履带式互换＂）和调整运动姿态（即＂改变履带几何形状＂）.本文旨在介绍NEZA-I机器人的基本结构、驱动系统原理、运动模式及姿态,分析TWT模块内部构件之间运动关系,建立NEZA-I在一些典型的运动情形下移动机构与地面之间的约束关系的数学模型,探究TWT模块内部机构参数对机器人环境自适应性能的影响,优化机构参数.实验表明：NEZA-I移动机构平台具有较强的环境自适应性和越障性能,机构参数的优化结果是合理的,所建立的相关数学模型及参数的分析方法是正确的.同时也验证了NEZA-I自适应移动机构平台概念的可行性,从机构学的角度为机器人环境自适应性的研究提供一个思路.     

仿生触觉传感器研究进展

触觉传感器是仿生皮肤丰富感知能力特点的柔性电子器件和系统,在机器人触觉系统和人体健康检测两大领域有重要应用前景.前者赋予机器人触觉等通过非视觉方式感知环境的能力,后者通过柔性器件贴附在皮肤上实现对脉搏、血压、心电、肌电等生理健康参数检测.从柔性、自愈合电子材料的研究,到器件结构设计,再到多功能系统集成等几个方面,仿生触觉传感器件和系统不断迭代发展,凭借其柔软、可拉伸的特性,赋予人机交互器件的穿戴舒适感,也让许多传统的监测或佩戴设备更便携、更日常化,在医疗检测设备、可穿戴式电子设备、健康大数据等领域都展示出巨大的潜力和应用前景.本文回顾了近年来仿生触觉传感器领域的研究进展,并展望其未来发展和应用方向.     

聚合物捻卷型人工肌肉及其在软体机器人领域应用的研究现状

人工肌肉是一种新型的仿生柔性驱动器,具有显著柔顺性和柔软度,能够安全地与人体及其他生物环境进行交互.鉴于现有的人工肌肉存在负载程度低、迟滞效应大、寿命短等局限,一种基于尼龙等聚合物纤维进行加捻卷绕制作的人工肌肉(twisted and coiled polymer fiber, TCPF)应运而生.这种人工肌肉可产生超过40%的变形量,承受载荷的能力达到同等重量和长度人体肌肉的100倍之多,并且具有高达5.3 kW/kg的能量密度,迅速成为当前学术研究的热点问题.本文综述TCPF人工肌肉的发展历程和研究现状,着重围绕TCPF人工肌肉的制备工艺和驱动原理、新材料和结构、驱动方式的改进以及在软体机器人领域的应用等方面进行介绍,分析了现有研究中存在的不足和瓶颈问题,并对未来的发展趋势进行了展望.     

胶囊机器人弯曲环境内万向旋转磁矢量控制原理

为了以空间万向旋转磁矢量为驱动源实现肠道胶囊机器人在充满大黏度液体弯曲环境内的非接触式转向游动,基于空间交变矢量正交叠加原理,本文提出一种新的叠加空间万向均匀旋转磁矢量的物理方法,即采用三相正弦波电流在三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈装置内叠加均匀空间万向旋转磁场.根据所归纳的反相位电流叠加定律,提出了一种有效调整均匀空间万向旋转磁场方位与旋向的控制方法,为了验证叠加空间万向旋转磁场的可行性和可控性,研制了三轴正交嵌套的亥姆霍兹线圈装置、驱动电源和新型胶囊机器人样机,并在螺旋弯管和动物肠道内进行了游动试验,结果表明均匀空间万向旋转磁场的方位与旋向均可以数字化连续调整,通过空间万向旋转磁矢量的控制,胶囊机器人可在螺旋状肠道内转弯游走,空间万向旋转磁场技术的突破将推动现代物理学与生物医学工程的发展.     

刚柔分级并联驱动宏微复合运动平台设计

高速精密定位是电子制造的要求,轴系摩擦是影响精密定位的重要因素.目前,微米级以上精度必须通过消除摩擦影响的方式来实现,成本很高.本文将大行程的直线电机平台与无摩擦的柔性铰链导向机构结合,提出了一种并联驱动的宏微复合设计新方案,克服了现有宏微复合平台存在的输出饱和问题.具体做法是在无铁芯永磁直线电机模组中,安装两套驱动和测量反馈系统,分别用于驱动宏运动平台和与之通过柔性铰链相连的微运动平台.宏运动平台通过直线导轨滑块"刚性"机械连接系统实现大行程高速运动,微运动平台通过基于柔性铰链的"柔性"连接来快速补偿"刚性"宏运动平台的误差,最终实现大行程高速高精度运动.本文利用上述刚柔分级运动方案,通过基于动力学响应的运动规划方法进一步抑制了高加速运动平台的定位残余振动.基于柔性铰链的微运动系统较之宏运动系统具有更快的响应速度和更小的跟踪轨迹误差,从而实现在高加速运动过程中宏/微驱动力叠加来实现快速运动,同时在匀速与低速定位过程中微驱动器产生反方向作用力来快速补偿宏运动平台的运动误差来实现高定位精度.实验表明,本文提出的宏微复合驱动方案,通过机构的创新,可有效降低控制的复杂度,并实现了高精密快速定位,可以为微光电子制造装备亚微米级高速定位平台设计提供崭新的途径.     

开放环境中基于自适应分布控制的群体机器人多目标搜索方法

多目标搜索问题是群体机器人一个重要的研究方向.现有工作多集中在带边界空间内的多目标搜索问题,而在开放环境中,探索机制会导致群体分散性过强而减弱探索能力.本文通过引入自适应扩散回归策略,在带有假目标的开放环境中,提出了具有高鲁棒性和适应性的群体机器人多目标搜索算法.文中首先从初始状态和处理假目标两方面对现有的主流群体机器人多目标搜索算法进行优化;基于机器人分布控制,本文对自适应群体机器人粒子群优化算法进行优化,提出基于自适应分布控制的群体机器人粒子群优化算法;其次,基于概率有限状态机搜索算法(PFSMS)对开放环境中的多目标搜索算法进行进一步的探索,本文以搜索时间为切入点,在PFSMS原有三种状态的基础上,添加回归状态作为附加状态,提出了基于自适应分布控制的概率有限状态机搜索算法(DPFSMS).当智能体的探索时间超过阈值时,智能体的速度由回归分量和扩散/搜索分量构成. DPFSMS算法给出了在无边界开放环境中的搜索策略,通过限制群体的扩散速度来自适应地调整智能体在无适应度值区域的运动随机性.最后,本文将DPFSMS算法与现有方法进行了对比,在对比实验中DPFSMS算法取得了目前最好的效...     

柔性轴承装配变形有限元仿真分析

柔性轴承装配变形的合理性是保证谐波传动有效运行的必要前提及关键因素之一,以3E809KAT2*型柔性轴承为研究对象,采用SOLIDWORKS建立三维实体模型,基于有限元软件对柔性轴承在椭圆凸轮作用下的变形应力、应变、位移、速度、接触力等进行分析。结果表明:应力、应变分别按内圈、外圈、滚动体、保持架及长轴、短轴、长短轴过渡部分的顺序依次显著减小;位移按长轴、过渡、短轴的顺序依次减小,而速度基本相同,且内圈位移、速度、波动相对外圈较大;内外圈与滚动体的接触力较大且大小基本相同,保持架与滚动体接触力接近于0。仿真解与理论解偏差较小,验证了装配的合理性。     

肠道内多胶囊机器人的控制策略

针对肠道胶囊机器人的临界间隙现象,研制了一种具有径向间隙自补偿功能的变径胶囊机器人,应用泛函变分原理,建立了满足胶囊机器人外螺旋肋表面边界条件的流体动压力模型,基于端部效应和机器人外表面流体的动态平衡特性,对胶囊机器人的临界间隙现象进行了理论与试验研究,定义了启动转速的概念,对螺旋参量与启动转速的关系进行了研究,提出了同一磁场下对多个胶囊机器人实施驱动控制的方法,并以启动曲线具有相似运动规律为目标函数,通过遗传算法（GA）对多个胶囊机器人的螺旋参量进行了优化设计,试验表明能有效的对多个胶囊机器人实施驱动控制,实现人体肠道内多个不同医疗目标胶囊机器人的驱动与控制,具有良好的医学应用前景.     

虚拟环境下桥壳焊接机器人动力学及轨迹跟踪研究

为解决人工焊接桥壳效率低、质量差等问题,建立一种可移动的桥壳截面焊接机器人模型,对其进行非完整动力学建模,并对焊接人机器人移动平台和调整装置进行运动控制,最后以实际所需焊接桥壳截面为对象,验证该模型的可行性。研究结果表明:由于系统对移动平台和调整装置进行联合控制,提高了焊缝跟踪的精度及系统整体运动平顺性。本桥壳焊接机器人对于实现桥壳截面的焊接具有良好的适应性和鲁棒性,可实现对复杂焊接轨迹的跟踪控制。     

并联机器人执行系统的能效分析

机械执行系统作为机器人等装备的关键组成部分,其能效分析与评价在装备能效研究中具有重要意义.当采用并联机构时,执行系统结构复杂,能效分析困难.针对这种情况,通过分析并联机器人执行系统的能量传递机理,建立了执行系统能效模型和支链功率方程,将能量从驱动单元到末端执行器的传递过程中的支链动能变化作为影响能效的重要因素.在此基础上,结合驱动单元能量耗散特点和末端执行器运动时支链动能变化的各向异性,提出了一种基于支链动能变化率的并联机器人执行系统的功率传递指标,该指标与机构位姿和执行系统几何、质量参数有关,反映了并联执行系统中支链构件对能量传递的影响,以及支链几何参数与执行系统能效之间的关系.分别以一种二自由度平面机器人和一种五自由度空间并联机器人为例,给出了功率传递指标的求解过程,分析了工作空间内机器人执行系统能效大小分布情况和高能效工作区域范围.所提出的功率传递指标可用于评价并联机器人执行系统的能效,并进行并联机器人高能效执行系统的设计.     

具有环境适应能力的蛇形机器人仿生控制方法

基于生物学原理,本文构建了一种能够产生蛇形机器人多种仿生步态的多模态中枢模式发生器模型.该模型通过外部激励的引入,可以实现蛇形机器人运动形式的自由调整和转换,有助于提高蛇形机器人的环境适应能力.文中主要针对任意节数的多模态中枢模式发生器模型的稳定性进行了证明;分析了多模态中枢模式发生器模型参数对系统输出的影响;研究了蜿蜒运动中环境参数与蛇形机器人关节最优幅值的对应关系,从而确定了多模态中枢模式发生器幅值优化调整策略;并通过建立外部激励与模型参数之间的约束,使得蛇形机器人在多模态中枢模式发生器控制下具有三维运动能力以及相应的环境适应能力.最后,利用蛇形机器人平台验证了仿生控制方法的有效性以及与生物蛇步态的相似性.     

基于石墨烯/PEDOT:PSS复合材料制备的可穿戴柔性传感器

随着智能设备的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景.电阻式柔性应变传感器因具备较高的灵敏度与良好的生物兼容性等优点使其成为受关注的电学传感器.本文基于溶液共混法,制备一种新型的石墨烯(GR)/PEDOT:PSS多组分混合墨水材料,用直写喷墨打印技术制备了"电阻式"柔性应变传感器.该传感器以聚酰亚胺(PI)柔性薄膜为基底材料,以GR/PEDOT:PSS多组分混合墨水为导电材料,通过直写喷墨打印技术在柔性基底上打印导电图形.实验利用SEM、电学测试平台等表征手段分析了不同的GR掺加量对复合墨水材料性能与打印工艺的影响.实验结果表明:采用乙醇超声分散的GR材料可有效分布在PEDOT:PSS中,进而改善其在导电聚合物中的分散性;提高打印速率可明显降低线宽;随着GR掺加量的增大,柔性传感器阻值逐渐降低,器件的灵敏度下降;由此推断出相对疏松、分散性较好的墨水材料更有利于灵敏度的提高;提高柔性传感器的深宽比,可显著提高传感器的灵敏度.当弯折角度为80°时,电阻变化率(R/R0)最高为3.414,有望应用于柔性可穿戴设备新兴领域.     

仿人机器人双臂/躯干运动规划研究

提出了仿人机器人双臂和躯干运动的两种规划方法用以补偿机器人运动过程中产生的自转转矩,进而提高系统运动稳定性.分析了运动中地面对机器人的作用力矩和双臂摆动对身体运动产生的影响.以补偿自转转矩为目标,规划了躯干自转补偿和双臂摆动补偿两种运动方式.以能量消耗为评价函数对这两种方法进行了比较,验证了两种方法的性能和可行性.