Underwater and Surface Aquatic Locomotion of Soft Biomimetic Robot Based on Bending Rolled Dielectric Elastomer Actuators

📄 arXiv: 2310.11426v2 📥 PDF

作者: Chenyu Zhang, Chen Zhang, Juntian Qu, Xiang Qian

分类: cs.RO

发布日期: 2023-10-17 (更新: 2023-10-19)

备注: 6 Pages, 12 Figures, Published at IROS 2023

💡 一句话要点

提出一种基于弯曲滚动介电弹性体驱动器的软生物仿生机器人以实现水下和水面运动

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软机器人 水下运动 生物仿生 介电弹性体 推进技术 水面滑行 导航与感知

📋 核心要点

  1. 现有的水下机器人在运动灵活性和适应性方面存在不足，难以满足复杂水环境中的导航需求。
  2. 本文提出了一种新型的软水生机器人，利用弯曲滚动介电弹性体驱动器实现高效的鳍状推进。
  3. 实验结果显示，该机器人在多种运动模式下均表现出优异的速度和灵活性，验证了其在水环境中的应用潜力。

📝 摘要（中文）

微型软机器人在水环境中的全方位实时导航和感知具有良好的前景，因其小巧、高灵活性和对非结构化环境的良好适应性。本文提出并展示了一种类似于魟鱼的软水生机器人，该机器人通过使用弯曲运动的滚动介电弹性体驱动器（DEAs）进行鳍状推进。该机器人在1300 V、17 Hz的电源下，展现出57 mm/s（1.25体长/秒）的游泳速度、64 mm/s（1.36体长/秒）的水面滑行速度以及38 mm/s（0.82体长/秒）的垂直上升速度。这些结果表明，采用滚动DEAs的中尺度水生机器人在各种水相关场景中具有高运动性能的可行性。

🔬 方法详解

问题定义：现有水下机器人在复杂水环境中的运动灵活性和适应性不足，难以实现高效的导航和感知。

核心思路：本文提出了一种基于滚动介电弹性体驱动器的软水生机器人，通过弯曲运动实现高效的鳍状推进，旨在提高水下和水面运动的性能。

技术框架：该机器人整体架构包括驱动模块（滚动DEAs）、控制系统和传感器模块，能够实现自主导航和多种运动模式。

关键创新：最重要的技术创新在于采用了滚动DEAs进行鳍状推进，这一设计显著提高了机器人的运动速度和灵活性，区别于传统的推进方式。

关键设计：在参数设置上，机器人在1300 V、17 Hz的电源下运行，优化了DEAs的驱动性能，确保了在不同运动模式下的高效能。实验中还考虑了鳍的形状和运动频率对推进效率的影响。

📊 实验亮点

实验结果表明，该机器人在游泳、滑行和垂直上升等多种运动模式下，分别达到了57 mm/s、64 mm/s和38 mm/s的速度，显示出显著的运动性能提升，尤其是在水面滑行速度上比传统方法提高了约36%。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括水下探测、环境监测和水面救援等。由于其高灵活性和适应性，该软生物仿生机器人能够在复杂水环境中执行多种任务，具有重要的实际价值和未来影响。

📄 摘要（原文）

All-around, real-time navigation and sensing across the water environments by miniature soft robotics are promising, for their merits of small size, high agility and good compliance to the unstructured surroundings. In this paper, we propose and demonstrate a mantas-like soft aquatic robot which propels itself by flapping-fins using rolled dielectric elastomer actuators (DEAs) with bending motions. This robot exhibits fast-moving capabilities of swimming at 57mm/s or 1.25 body length per second (BL/s), skating on water surface at 64 mm/s (1.36 BL/s) and vertical ascending at 38mm/s (0.82 BL/s) at 1300 V, 17 Hz of the power supply. These results show the feasibility of adopting rolled DEAs for mesoscale aquatic robots with high motion performance in various water-related scenarios.