18、软执行器与非光滑机械系统动力学建模的研究进展

软执行器与非光滑机械系统动力学建模的研究进展

1. 软弯曲执行器设计与制造

软弯曲执行器的设计灵感来源于人类手指的屈伸运动轨迹，同时考虑了墨西哥人群的人体测量尺寸。在制造方面，探索了一种基于铸造技术的新方法，使用液态弹性体和可溶性长丝来制造核心模具，该模具用于支撑内部腔体。

与传统方法相比，这种新技术具有显著优势。传统方法需要3个模具来塑造执行器主体的几何形状，还需要一个模具来制作基层，并且需要进行后期组装过程来连接单独制造的两个部分。而新方法优化了执行器的制造过程。

在执行器行为验证方面，采用了图像分析验证方法，能够更好地将实验结果与数学模型和有限元分析进行比较。通过均方误差计算，发现解析模型与实验模型之间存在18.8mm的误差，但执行器仍能按预期执行其主要功能。未来，该执行器将作为基础，用于开发医疗康复用的软机器人手。

2. 非光滑机械系统的建模挑战与新方法

非光滑机械系统具有混合动力学特性，允许连续和离散行为并存，例如有腿跳跃机器人的连续运动中会穿插脚与地面的碰撞。这种混合特性源于系统与环境之间通过约束的相互作用，给动力学建模和仿真带来了诸多挑战。

现有的研究在动力学公式推导、冲击解决、接触处理等理论方面取得了进展，同时在数值实现上也有算法、库和物理引擎等成果。然而，建模和仿真非光滑机械系统的动力学仍然是一项艰巨的任务，因为系统与环境的不断交互会产生各种运动阶段，每个阶段都有独特的局部动力学，需要进行专门且重复的推导。

为了解决这些问题，提出了一种新的切换微分 - 代数公式化方法。该方法使用二进制向量来跟踪变化的活动约束集，将非光滑机械系统的动力学公式化为一组单一的微分方程和一组切换的运动学