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工程设计学报
工程设计学报  2025, Vol. 32 Issue (6): 813-821    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.128
机器人与机构设计     
基于各向异性摩擦的软体爬行机器人设计与实验研究
徐锦涛(),蔡金虎,唐玲玲,黄龙()
长沙理工大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙 410114
Design and experimental study of soft crawling robots based on anisotropic friction
Jintao XU(),Jinhu CAI,Lingling TANG,Long HUANG()
College of Mechanical and Vehicle Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China
 全文: PDF(3784 KB)   HTML
摘要：

针对软体爬行机器人在多样化表面环境下运动适应性差、摩擦驱动效率低的问题，提出了一种具有各向异性摩擦特性的三角形表面织构设计方案。根据尺蠖的运动原理，将三角形表面织构设计应用于软体爬行机器人的摩擦足，并与气动波纹致动器集成，以实现机器人在不同表面上的多种运动模式。首先，基于常曲率假设分析波纹致动器的弹性变形与压强的关系，并建立了其运动学模型。然后，搭建摩擦力测试实验平台，测量得出摩擦足在不同粗糙度接触基面上的各向异性摩擦性能。最后，开展机器人的前进运动与转向运动实验，以测试机器人在不同粗糙度基材表面上的运动性能。通过运动学实验验证了波纹致动器运动学模型的正确性。通过实验测得：在木质基面上，机器人的前进速度可达1.11 cm/s；在亚克力基面上，机器人的前进速度可达0.95 cm/s；在转向运动实验中，机器人在木质基面上的转向速度可达3.48 (°)/s，在亚克力基面上的转向速度可达3.08 (°)/s。结果表明，三角形表面织构设计能够有效实现各向异性摩擦性能，且摩擦性能随织构高度的增大呈现先提升后下降的趋势。三角形表面织构设计可显著提升软体爬行机器人在不同基材表面上的运动性能，具有一定的实用价值。
关键词： 软体爬行机器人;  波纹致动器;  运动学模型;  三角形表面织构设计;  各向异性摩擦    
Abstract:

Aiming at the problems of poor motion adaptability and low friction-driven efficiency of soft crawling robots in diverse surface environments, a triangular surface texture design scheme with anisotropic friction characteristics is proposed. Based on the principle of inchworm movement, the triangular surface texture design is applied to the friction foot of the soft crawling robot and integrated with the pneumatic corrugated actuator to achieve multiple movement modes of the robot on different surfaces. Firstly, based on the assumption of constant curvature, the relationship between the elastic deformation and the pressure of the corrugated actuator was analyzed, and its kinematics model was established. Then, a friction force testing experimental platform was built to measure the anisotropic friction performance of the friction foot on the contact surfaces of different roughness. Finally, experiments on the forward and turning movements of the robot were carried out to test its motion performance on substrate surfaces with different roughness. Through kinematics experiments, the correctness of the kinematics model of the corrugated actuator was verified. Through experiments, it was measured that on the wooden substrate surface, the forward speed of the robot could reach 1.11 cm/s; on the acrylic substrate surface, the forward speed of the robot could reach 0.95 cm/s. In the turning motion experiment, the turning speed of the robot on the wooden and acrylic substrate surfaces could reach 3.48 (°)/s and 3.08 (°)/s, respectively. The results showed that the triangular surface texture design could effectively achieve anisotropic friction performance, and this friction performance increased first and then decreased with the increase of texture height. The triangular surface texture design can significantly enhance the motion performance of soft crawling robots on different substrate surfaces and has certain practical value.
Key words: soft crawling robot    corrugated actuator    kinematics model    triangular surface texture design    anisotropic friction
收稿日期: 2025-04-03 出版日期: 2025-12-30
CLC:  TP 242.2  
基金资助: 湖南省科技计划项目(2023JJ30021)
通讯作者: 黄龙     E-mail: xujintao2022@163.com;huanglongin@foxmail.com
作者简介: 徐锦涛（2000—），男，硕士生，从事软体机器人研究，E-mail: xujintao2022@163.com
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徐锦涛
蔡金虎
唐玲玲
黄龙

引用本文:

徐锦涛,蔡金虎,唐玲玲,黄龙. 基于各向异性摩擦的软体爬行机器人设计与实验研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(6): 813-821.

Jintao XU,Jinhu CAI,Lingling TANG,Long HUANG. Design and experimental study of soft crawling robots based on anisotropic friction[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(6): 813-821.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.128    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I6/813

图1  软体爬行机器人的制作流程及其关键部件结构
图2  Yeoh模型的材料参数拟合曲线
图3  波纹致动器压缩实验平台
图4  双波纹联合致动器的变形模型
图5  波纹致动器压缩位移与压强的关系
图6  波纹致动器弯曲角度与压强的关系
图7  摩擦力测试实验平台
图8  摩擦足在不同接触基面上的摩擦力
图9  机器人系统的电气连接示意
图10  机器人的双模式运动控制策略
图11  机器人前进运动实验
图12  机器人转向运动实验
图13  机器人的前进速度
基面转向角度/(°)时间/s转向速度/[(°)/s]
木质基面90263.46
95283.39
90253.60
亚克力基面90283.21
85283.04
90303.00
表1  机器人的转向运动数据
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