由双稳态介电弹性体执行器驱动的胶囊机器人的动力学

《Mechanics Research Communications》：Dynamics of a capsule robot driven by a bistable dielectric elastomer actuator

　　摘要
胶囊形爬行机器人具有在非结构化环境中导航的巨大潜力。然而，基于主动固定或各向异性摩擦的传统设计通常结构复杂，环境适应性较差。振动冲击型胶囊机器人消除了外部固定机制，但它们对高峰冲击力的依赖增加了结构疲劳风险，以及在脆弱环境中的安全性问题。本文提出了一种新型低冲击胶囊机器人的数值研究，该机器人由双稳态介电弹性体执行器（DEA）驱动。与振动冲击驱动设计不同，所提出的机器人通过利用双稳态DEA在井内振荡过程中产生的非对称驱动力来实现定向运动。建立了一个两自由度机电耦合动态模型，用于表征系统的非线性双稳态行为和粘滑运动。进行了广泛的数值模拟，系统分析了关键参数对运动性能的影响，包括激励条件、双稳态特性、静摩擦系数和机器人质量。结果表明，可靠的定向运动依赖于DEA稳定的周期性井内响应。至关重要的是，在一定范围内增加电压幅值可以提高运动速度，而过高的电压幅值会导致周期加倍分叉和混沌运动，从而导致性能下降。此外，揭示了非线性驱动力轮廓与静摩擦阈值之间的最佳匹配关系，这可以最小化向后滑动并实现最高运动速度。这项工作为低冲击软胶囊机器人的设计提供了理论指导，对于需要精细接触环境的应用具有前景。

引言
受生物运动的启发，近年来开发了各种用于复杂非结构化环境的爬行机器人，这些机器人在工业管道检测、灾后搜救和医疗胃肠道内窥镜检查等领域展示了广泛的应用前景[1]、[2]、[3]、[4]。随着智能感知技术的发展，软驱动和多模态传感的集成也成为软体机器人领域的重要研究趋势，为微型机器人的状态认知和环境适应提供了新的解决方案[5]、[6]、[7]。现有的爬行机器人可以根据其运动原理分为三类。
第一类是受尺蠖启发的机制，基于主动固定，通过机器人身体的周期性伸缩以及前后固定机制的交替固定/释放来实现定向运动。主动固定通常通过可变形结构（例如，可充气气球[8]、[9]、径向膨胀单元[10]、[11]）或界面力（例如，静电粘附[12]、[13]、负压吸盘[14]、[15]）来实现。例如，Tang等人[16]开发了一种由介电弹性体执行器驱动的亚厘米级管道检测机器人，在水平和垂直表面上分别实现了1.19和1.08体长/秒（BL/s）的快速运动速度。Ma等人[17]提出了一种仅重2.1克的细缆爬行机器人，能够进行高速爬行、负载运输、跨界面运动以及在不规则缆绳上的适应性运动。第二种原理依赖于各向异性摩擦元件，通过利用不同方向的摩擦差异结合机器人身体的周期性变形（前后伸展、垂直振荡或弯曲伸展）来实现单向运动。机器人向摩擦较小的方向移动。被动各向异性摩擦元件通常使用倾斜金属针[18]、[19]、倾斜软毛[20]、[21]或单向轴承[22]、[23]制造。例如，Pfeil等人[24]基于圆柱形DEA和纺织增强材料构建了一种类似蠕虫的爬行机器人，通过纯轴向伸缩结合钩状脚实现稳定爬行。Du等人[25]设计了一种单腔管道机器人，集成了DEA振动源和气动弹性铰链结构，通过新颖的结构设计优化了管道适应性和运动稳定性，使其能够适应不同直径的管道并进行高效垂直攀爬。第三种类型是振动冲击型胶囊机器人，它利用内部执行器产生的定向冲击力来克服环境摩擦以实现运动[26]、[27]。这种方案消除了外部固定机制或摩擦刷，表现出卓越的结构稳健性和高环境适应性[28]。大量研究集中在振动冲击型胶囊机器人的非线性动力学和运动控制上。值得注意的是，Liu等人系统研究了由电磁线圈和永磁体驱动的振动冲击机器人的分叉和混沌行为[29]、[30]、[31]，优化了其在胃肠道内窥镜检查中的性能。每种类型的爬行机器人都有其固有的局限性。主动固定机器人通常需要复杂的传动结构，这增加了制造难度并阻碍了小型化。各向异性摩擦元件容易磨损和污染，在非结构化环境中会导致性能显著下降。对于振动冲击型机器人，大多数现有设计由电磁线圈等刚性执行器驱动，这些执行器重量大且能耗高[32]、[33]。然而，介电弹性体执行器（DEAs），被称为“人工肌肉”，由于其高能量密度、固有的柔顺性和轻质特性，提供了突破刚性执行器限制的解决方案[34]、[35]、[36]。因此，我们之前的工作将DEAs引入了振动冲击型胶囊机器人中，用软执行器替代了刚性冲击源，以降低系统复杂性并实现双向运动[37]、[38]、[39]。尽管如此，所有振动冲击型胶囊机器人仍然基本上依赖于高峰冲击力来产生推进力。连续强烈的机械冲击会导致结构疲劳，缩短使用寿命，并在医疗内窥镜等脆弱环境中带来安全风险。为了解决高冲击力引起的问题，同时保持胶囊机器人的结构简化，本文提出了一种由双稳态DEA驱动的新型胶囊爬行机器人。双稳态机制在DEA应用中得到了广泛研究，其独特的非线性动态机制已经被揭示[40]、[41]，应用场景包括准静态开关[42]、[43]、隔音材料[44]或高幅度井内共振[45]。需要澄清的是，双稳态DEA结构源自我们之前对单执行器动态特性的研究[41]，该研究仅研究了DEA本身的非线性振荡，未涉及机器人系统应用。在这里，我们首次将双稳态DEA嵌入到胶囊机器人中，并有意利用其井内非对称力-位移特性来产生定向运动，而无需物理冲击。这种机制与我们之前的DEA驱动振动冲击机器人[37]、[38]、[39]根本不同，在那些机器人中，推进力依赖于与机械约束的反复碰撞。本研究的核心新颖性和贡献总结如下：
1. 提出了一种基于双稳态DEA非对称井内振荡的新型运动机制。在没有高速度机械冲击的情况下，机器人通过使前进驱动力超过静摩擦阈值而使后退力保持低于阈值来实现定向运动。
2. 建立了整个机器人系统的两自由度机电耦合动态模型，并揭示了从周期性响应到分叉和混沌的非线性动态演化规律。
3. 提出了双稳态参数与摩擦阈值之间的匹配设计标准，并定量分析了摩擦系数和机器人质量对运动性能的影响。
4. 对比模拟验证了所提出的设计具有更高的运动速度和更低的峰值驱动力，证明了低冲击和高效率的优势。
本文的其余部分组织如下。第2节介绍了双稳态DEA驱动胶囊机器人的设计概述和动态模型。第3节系统分析了关键参数（包括双稳态特性、摩擦系数和机器人质量）对运动性能的影响，并对所提出的机器人和传统的振动冲击驱动机器人进行了性能比较。最后，第4节总结了本研究。

设计概述和工作原理
双稳态DEA的设计借鉴了作者之前的工作[41]，如图1(a)所示。两个相同的线性弹簧具有自由长度L0和刚度K，在中心连接，而它们的外端向内位移，相对于中心有距离W（W
胶囊机器人的频率响应
本节首先研究了胶囊机器人的频率响应。为了全面表征2自由度系统的非线性动力学，评估了61组不同的初始条件，将x1的初始速度从-3变化到3 m/s，以涵盖一系列系统能量水平。对于每组初始条件和每个激励频率，进行了300个激励周期的数值模拟，其中前200个周期被丢弃以消除瞬态行为并确保稳定性。

结论
在这项工作中，提出了一种由双稳态dea驱动的新型胶囊爬行机器人，并通过广泛的数值模拟系统研究了其运动性能和动态特性。主要发现总结如下：
1. 胶囊机器人的定向运动是通过双稳态dea的周期性井内振荡实现的。双稳态机制的独特力-位移特性使得驱动力超过了最大静摩擦力credit

作者贡献声明
chuang wu：撰写——原始草稿，可视化，软件，形式分析，数据管理，概念化。
xueliang zhou：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。
linzhong xia：资源，项目管理，资金获取。
chongjing cao：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，监督，项目管理，研究，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
本工作部分得到了深圳市科技计划（项目编号jcyj20250604182957076）和广东省普通高校工程技术研究中心（项目编号2025gczx017）的支持。

chuang wu|xueliang zhou|linzhong xia|chongjing cao
湖北汽车工业大学机器人与自动化学院，十堰442002，中国 胶囊机器人的频率响应 本节首先研究了胶囊机器人的频率响应。为了全面表征2自由度系统的非线性动力学，评估了61组不同的初始条件，将x1的初始速度从-3变化到3 m s，以涵盖一系列系统能量水平。对于每组初始条件和每个激励频率，进行了300个激励周期的数值模拟，其中前200个周期被丢弃以消除瞬态行为并确保稳定性。 结论 在这项工作中，提出了一种由双稳态dea驱动的新型胶囊爬行机器人，并通过广泛的数值模拟系统研究了其运动性能和动态特性。主要发现总结如下： 1. 胶囊机器人的定向运动是通过双稳态dea的周期性井内振荡实现的。双稳态机制的独特力-位移特性使得驱动力超过了最大静摩擦力credit 作者贡献声明 chuang wu：撰写——原始草稿，可视化，软件，形式分析，数据管理，概念化。 xueliang zhou：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。 linzhong xia：资源，项目管理，资金获取。 chongjing cao：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，监督，项目管理，研究，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。 利益冲突声明 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。 致谢 本工作部分得到了深圳市科技计划（项目编号jcyj20250604182957076）和广东省普通高校工程技术研究中心（项目编号2025gczx017）的支持。 chuang wu|xueliang zhou|linzhong xia|chongjing cao>
胶囊机器人的频率响应
本节首先研究了胶囊机器人的频率响应。为了全面表征2自由度系统的非线性动力学，评估了61组不同的初始条件，将x1的初始速度从-3变化到3 m/s，以涵盖一系列系统能量水平。对于每组初始条件和每个激励频率，进行了300个激励周期的数值模拟，其中前200个周期被丢弃以消除瞬态行为并确保稳定性。

结论
在这项工作中，提出了一种由双稳态dea驱动的新型胶囊爬行机器人，并通过广泛的数值模拟系统研究了其运动性能和动态特性。主要发现总结如下：
1. 胶囊机器人的定向运动是通过双稳态dea的周期性井内振荡实现的。双稳态机制的独特力-位移特性使得驱动力超过了最大静摩擦力credit

作者贡献声明
chuang wu：撰写——原始草稿，可视化，软件，形式分析，数据管理，概念化。
xueliang zhou：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。
linzhong xia：资源，项目管理，资金获取。
chongjing cao：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，监督，项目管理，研究，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
本工作部分得到了深圳市科技计划（项目编号jcyj20250604182957076）和广东省普通高校工程技术研究中心（项目编号2025gczx017）的支持。

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