机械工程学报 ›› 2023, Vol. 59 ›› Issue (11): 179-188.doi: 10.3901/JME.2023.11.179
向红标1,2, 陈卓1,2, 刘霁莹3, 宋阳1,2, 张冕1,2, 王收军1,2
收稿日期:
2022-09-21
修回日期:
2023-02-14
出版日期:
2023-06-05
发布日期:
2023-07-19
通讯作者:
王收军(通信作者),男,1965年出生,教授。主要研究方向为机器人控制、机电液一体化技术等。E-mail:w_shoujun@163.com
作者简介:
向红标,男,1982年出生,副教授。主要研究方向为微型机器人,伺服控制技术等。E-mail:xhb@tju.edu.cn;陈卓,男,1997年出生,硕士研究生。主要研究方向为微型机器人仿真与控制。E-mail:972009196@qq.com
基金资助:
XIANG Hongbiao1,2, CHEN Zhuo1,2, LIU Jiying3, SONG Yang1,2, ZHANG Mian1,2, WANG Shoujun1,2
Received:
2022-09-21
Revised:
2023-02-14
Online:
2023-06-05
Published:
2023-07-19
摘要: 无缆磁控微型机器人由于其尺寸小、质量轻,在生物医疗、微操作领域等都有着广阔的应用前景。设计一种十字叉形磁控微型软体四足机器人,采用水母模式、螺旋桨模式实现机器人的水下运动。首先分别对磁控四足机器人的水母模式和螺旋桨模式进行动力学分析,然后通过静态特性和动态特性分别对两种模式进行仿真与试验的对比分析,研究磁场强度与弯曲特性的关系、水母模式拍打幅度、频率与速度的关系,螺旋桨模式步长与圆锥素线角、频率与速度的关系等。在此基础上,通过设计控制信号分别在两种模式下实现在水下的垂直向上、悬停、水平移动等多个动作,并实现简单路径跟踪试验,磁控微型四足水下机器人的仿真与试验为微型机器人的应用提供了新思路。
中图分类号:
向红标, 陈卓, 刘霁莹, 宋阳, 张冕, 王收军. 磁控微型软体四足水下机器人双模式运动特性的仿真与试验[J]. 机械工程学报, 2023, 59(11): 179-188.
XIANG Hongbiao, CHEN Zhuo, LIU Jiying, SONG Yang, ZHANG Mian, WANG Shoujun. Simulation and Experiment of Dual-mode Motion Characteristics of a Magnetically Controlled Miniature Soft Quadruped Underwater Robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(11): 179-188.
[1] DILLER E,SITTI M. Three-dimensional programmable assembly by untethered magnetic robotic micro-grippers[J]. Adv. Funct. Mater.,2014,4:4397-4404. [2] 张忠强,邹娇,丁建宁,等. 软体机器人驱动研究现状[J]. 机器人,2018,40(5):648-659. ZHANG Zhongqiang,ZOU Jiao,DING Jianning,et al. Research status of the soft robot driving[J]. Robot,2018,40(5):648-659. [3] KHARBOUTLY M,UTHIER M,CHAILLET N. Modeling the trajectory of a micro particle in a dielectrophoresis device[J]. Journal of Applied Physics,2009,106(11):1-6. [4] 牛丽周,丁亮,高海波,等. 软体足式机器人驱动、建模与仿真研究综述[J]. 机械工程学报,2021,57(19):1-20. NIU Lizhou,DING Liang,GAO Haibo,et al. Review of actuation,modeling and simulation in soft-legged robot[J]. Journal of Mechanical Engineering,2021,57(19):1-20. [5] HU W Q,ISHII K S,OHTA A T. Micro-assembly using optically controlled bubble microrobots[J]. Applied Physics Letters,2011,99(9):094103. [6] MARTEL S,FELFOUL O,MATHIEU J B,et al. MRI-based medical nanorobotic platform for the control of magnetic nanoparticles and flagellated bacteria for target interventions in human capillaries[J]. International Journal of Robotics Research,2009,28(9):1169-1182. [7] NELSON B J,KALIAKATSOS I K,ABBOTT J J. Microrobots for minimally invasive medicine[J]. Annual Review of Biomedical Engineering,2010,12:55-85. [8] KUMAR N,VERMA V,BEHERA L. Magnetic navigation and tracking of multiple ferromagnetic microrobots inside an arterial phantom setup for MRI guided drug therapy[J]. Biocybernetics and Biomedical Engineering,2017,37(3):347-356. [9] HU W Q,ZHAN L G,MASSIMO M,et al. Small-scale soft-bodied robot with multimodal locomotion[J]. Nature,2018,554:81-85. [10] ZHANG Y,YANG D,YAN P,et al. Inchworm inspired multimodal soft robots with crawling,climbing,and transitioning locomotion[J]. IEEE Transactions on Robotics,2022,38:1806-1819. [11] 向红标,程旭,李梦伟,等. 磁弹性微型游泳机器人在外部干扰和复杂路径下的精确跟踪控制[J]. 机械工程学报,2022,58(7):93-102. XIANG Hongbiao,CHENG Xu,LI Mengwei,et al. Accurate tracking control of magnetoelastic elastic miniature swimmer under external disturbance and complex path[J]. Journal of Mechanical Engineering,2022,58(7):93-102. [12] XIANG H,LI M,ZHANG T,et al. Motion characteristics of untethered swimmer with magnetoelastic material[J]. Smart Materials and Structures,2021,30(7):075030. [13] AHMED F,WAQAS M,SHAIKH B,et al. Multi-material bio-inspired soft octopus robot for underwater synchronous swimming[J]. Journal of Bionic Engineering,2022,19(5):1229-1241. [14] WU Q,YANG X,WY Y,et al. A novel underwater bipedal walking soft robot bio-inspired by the coconut octopus[J]. Bioinspiration & Biomimetics,2021,16(4):046007. [15] SU M,XU T,LAI Z,et al. Double-modal locomotion and application of soft cruciform thin-film microrobot[J]. IEEE Robotics and Automation Letters,2020,5(2):806-812. [16] HU W Q, ZHAN L G, MASSIMO M, et al. Small-scale soft-bodied robot with multimodal locomotion[J]. Nature,2018, 554(7690):81-85. [17] REN Z,WANG T L,HU W Q,et al. A magnetically-actuated untethered jellyfish-Inspired soft milliswimmer[C]// Robotics:Science and Systems XV. June-26,2019,Freiburg im Breisgau,Germany,2019:97-104. [18] XIANG H, TRKOV M, YU K. A stick-slip interactions model of soft-solid frictional contacts[J]. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control,2019, 141(4):041015. [19] LI Y S,SUN H X,CHU M,et al. Experiment,simulation and analysis on coupling hydrodynamic forces under key parameters for a spherical underwater exploration robot[J]. Journal of Vibroengineering,2014,16(6):3014-3025. |
[1] | 张永顺, 刘高仁, 刘志军, 刘振虎, 董海. 新型电磁球型手腕解耦驱动机理[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 1-10. |
[2] | 梁亮, 吴成东, 刘世昌. 基于关节损耗约束的工业机器人最优轨迹规划算法研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 11-19. |
[3] | 王晓飞, 许家忠, 丁亮, 黄成, 杨怀广, 刘美军. 趋向性锁链式路径规划算法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 53-61. |
[4] | 杜国锋, 赵萌, 武建昫, 张东. 基于视觉的闭链多足机器人自主运动控制方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 62-70. |
[5] | 关海杰, 王博洋, 龚建伟, 陈慧岩. 面向异构车辆的统一运动规划方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(18): 288-298. |
[6] | 秦岩丁, 蔡卓丛, 申亚京, 韩建达. 磁控式小型化医疗机器人研究综述与展望[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 1-21. |
[7] | 郑思远, 田俊杰, 王立鹏, 刘世创, 王洪波, 牛建业. 紧凑型刚柔耦合腰部康复机器人设计与分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 156-166. |
[8] | 王耀南, 谢核, 邓晶丹, 毛建旭, 李文龙, 张辉. 智能制造测量机器人关键技术研究综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(16): 1-18. |
[9] | 付涛, 张天赐, 崔允浩, 宋学官. 深度学习增强的智能矿用电铲挖掘轨迹跟踪控制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(16): 357-366. |
[10] | 宋荆洲, 宫兴龙, 段嘉辰, 张腾飞. 可跳跃移动机器人机构设计与跳跃过程控制研究综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 1-17. |
[11] | 高海波, 王圣军, 单开正, 韩亮亮, 于海涛. 牵拉人工肌腱式双足机器人矢状面行走控制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 18-27. |
[12] | 蒋林, 李云飞, 汤勃, 刘奇, 郭宇飞, 赵慧. 基于语义物体尺寸链的改进自适应蒙特卡洛动态定位研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 49-59. |
[13] | 张德权, 李星奥, 张宁, 宁国松, 韩旭. 工业机器人全域误差场精细化建模方法及其误差补偿策略[J]. 机械工程学报, 2024, 60(13): 316-329. |
[14] | 姚玉峰, 裴硕, 郭军龙, 王佳佳. 上肢康复机器人研究综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 115-134. |
[15] | 刘亚军, 訾斌, 潘敬锋, 钱森. 时变时延下喷涂机器人双边遥操作位姿控制策略[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 226-236. |
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