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深圳先進院等在軟體機器人形態學計算研究中獲進展

2020-07-31 深圳先進技術研究院
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  近日,中國科學院深圳先進技術研究院集成所神经工程中心研究员夏泽洋团队等在软体机器人形态学计算研究中取得新进展。相关研究结果以Optimal Design of Soft Pneumatic Bending Actuators Subjected to Design-Dependent Pressure Loads爲題,發表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics上(2019, 24(6): 2873-2884 ),夏泽洋为論文通讯作者。

  軟體驅動器的設計方法可分爲仿生設計方法和形態學計算方法。與需要大量實驗的仿生設計方法相比,形態學計算方法可以根據個性化的設計需求生成創新的結構。現有的形態學計算方法一般基于拓撲優化方法實現,不能直接應用于彎曲型軟體氣動驅動器(SPBA)設計,因爲SPBA的形態通常還與所承受的設計有關的壓力載荷相關,其施加的位置取決于具體的內部腔體結構。爲此,研究人員提出一種基于雙向漸進拓撲結構優化法的SPBAs形態學計算框架,以解決軟體機器人形態學計算及優化問題。

  該優化設計框架基于數值拓撲優化方法建立,並將SPBA視爲順應性機構,設定的優化目標是實現特定加載壓力下的最大彎曲變形和結構剛度。在有限元分析中,設計域中的每個元素根據靈敏度設置爲實體或空腔,靈敏度用目標函數對設計變量的導數近似逼近。叠代優化時,定義壓力作用于可移動的實體邊界表面。通過上述優化得到的驅動器拓撲結構結果制作樣機,在無負載實驗中對其性能進行評估。同時,爲驗證該方法的有效性和實用性,設計具有和不具有應變限制層的矩形實體和圓柱形SPBA,分別得到使其實現最大彎曲運動的優化結果。

  該研究從理論分析角度驗證了廣泛應用的氣動網格式(PneuNets)軟體驅動器的結構合理性。同時,該方法可以改變當前軟體驅動器基于經驗的試錯式結構設計模式,使SPBA設計面向特定的個性化運動需求,並使研究能夠應用于需要結合結構約束和設計需求的應用領域,如通過更改優化目標函數,可創建用于滿足手部康複運動的非對稱結構的SPBA。

  形態學計算是軟體機器人設計亟待解決的關鍵問題。該研究建立了一種基于拓撲優化的軟體機器人形態學計算方法,是首次嘗試使用數值計算的方法從形態學計算的角度來設計軟體驅動器。基于拓撲優化方法的形態學計算框架,爲滿足特定功能任務的軟體機器人的個性化形態設計提供了一種解決方法。

  論文链接 

目標函數、末端點豎直位移和體積分數的演化過程

基于雙向漸進拓撲結構優化法的SPBAs形態學計算的拓撲結構的演化過程示例

打印 責任編輯:侯茜

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