基于六边形网状结构的气动软体机器人设计与控制研究.pdf

摘要

软体机器人是一种可与环境主动交互，结构柔软的机器人，其具备区别于传统刚

性机器人的诸多优势。然而，现有的软体机器人大多结构僵硬，控制过程复杂，为解

决这些问题，本文基于软体结构设计、系统建模和控制方式等方面的内容，提出了一

种六边形网状结构及其相对应的控制方式，设计了一种由气动驱动器提供动力的四

足软体机器人，对机器人的整体结构、运动学、步态分析、控制平台和控制系统的建

立以及控制算法的应用等方面进行了详细叙述，研究内容如下：

1.四足软体机器人的方案设计。基于提出的六边形网状结构，借助其良好的延

展性，设计出四足机器人的腿部结构；采用气体驱动的方式，设计并制作出适用于软

体结构的气动驱动器，两者结合来实现机器人腿部的伸长和弯曲等动作，并对机器人

的身躯和整体结构进行设计；最后选用合适的材料对各部位结构进行制作，并对所用

的材料进行详细说明。

2.四足软体机器人的运动学分析与有限元仿真。针对六边形网状结构的形变原

理，结合分段常曲率模型对单腿末端位置的可达空间进行运动学分析；使用有限元仿

真的方法对机器人腿部的伸长、弯曲进行分析与验证；参照四足动物的运动原理，对

四足软体机器人的行走进行步态规划。

3.四足软体机器人的建模与控制研究。根据既定的控制要求搭建所需的实验平

台，设计了一种基于PLC与LabVIEW联合控制的气压控制系统，其中包括硬件方

面的器件选型与软件方面的程序设计，在本套控制系统中，使用了PLC与电气比例

阀来对气压进行控制，使用LabVIEW和MATLAB软件依照相应的控制要求进行程

序的设计；并结合弯曲传感器对软体机器人实现闭环控制，其间进行了单腿结构的伸

长和弯曲实验、系统模型的测试与辨识、控制算法的应用及对应程序的编写、控制系

统仿真与实际控制效果的呈现，最后结合四足软体机器人的行走实验对本套控制系

统进行了实验验证。

实验结果表明，本文所提出的六边形网状结构与相配套的气压控制系统，通过实

验的方式有效完成了软体机器人的运动控制，实现了四足软体机器人的闭环控制，体

现出了改进后的控制算法对高自由度软体结构控制的显著效果。

关键词：四足软体机器人；六边形网状结构；气压控制系统；闭环控制

I

ABSTRACT

Softrobotsareatypeofrobotcapableofactivelyinteractingwiththeirenvironment

throughaflexiblestructure,offeringseveraladvantagesovertraditionalrigidrobots.

However,existingsoftrobotstendtohaverigidstructuresandcomplexcontrolprocesses.

Toaddresstheseissues,thispaperproposesahexagonalmeshstructureandits

correspondingcontrolmethod,anddesignsaquadrupedsoftrobotpoweredbypneumatic

actuators.Detaileddescriptionsareprovidedontheoverallstructure,kinematics,gait

analysis,controlplatform,andcontrolsystemestablishment,aswellastheapplicationof

controlalgorithms.Theresearchcontentincludes:

1.Designofthequadrupedsoftrobot.Basedontheproposedhexagonalmeshstructure,

whichprovi