相对于刚性爬行机器人,柔性爬行机器人因其抗冲击、噪音小,能适应复杂和狭小的环境及能量利用率高等优势,而受到广泛关注。近年来,电活性聚合物,特别是介电弹性体(Dielectric Elastomer,简称DE)这种智能软材料,因其具有较大的可逆应变,较高的能量密度,极快的响应速度,和低廉的制造成本,在柔性爬行机器人驱动材料的选择方面脱颖而出。目前国内外一些基于DE材料的爬行机器人,有些因含有刚性材料而不抗冲击,有些机动性强但功能单一,还有些功能多样却只能在平面上缓慢爬行。针对当前柔性爬行机器人机动性与功能数量无法兼得的问题,本文提出了一种基于介电弹性体的波浪式柔性爬行机器人,它由能够产生周期性变形的柔性材料DE薄膜,能够储存和释放能量的弹性PET拱形框架,能够将DE薄膜的变形转化为机器人前进的单向摩擦足构成。这种柔性爬行机器人单个单元重量为4.56 g,长度为46 mm,宽度为63 mm,高度为37 mm。凭借具有多种优势的波浪式结构和能够充分发挥DE薄膜性能的纯剪切形式,机器人实现了以每秒80 mm的速度(即每秒1.74倍自身长度)快速爬行;通过利用DE薄膜上柔性电极的分区域控制,机器人实现了以每秒28.78°的速度快速转向;多个单元叠加后,通过不同区域DE薄膜的联合作用,机器人实现了在相同尺寸和负载电压下22.6%的变形增幅,且具有更为复杂多样的姿态变化,进而能够实现诸如跨越障碍这样复杂的功能。本文完成的主要工作如下:(1)介绍了波浪式柔性爬行机器人的基本结构,并对机器人进行了详细的理论建模。首先,对于整体,建立伪刚体模型,并通过对比分析实验测量与理论计算的末端轨迹与受力情况,验证了模型的准确性;其次对于驱动材料DE薄膜,基于热力学理论,将应变能公式与当前成熟的材料模型相结合,推导出DE薄膜的纯剪切模型,并设计搭建拉伸实验平台,通过实验数据拟合准确的材料参数。针对纯剪切形式的组成特征,设计了有无纤维与有无电压的拉伸实验,多方位验证了模型的可靠性。最后,结合以上两种模型,为后文机器人的制作环节及性能分析提供有效的理论指导。(2)给出了波浪式柔性爬行机器人的制作流程。首先,对DE薄膜及PET框架进行预处理,使其充分发挥自身性能;其次,对纤维的尺寸与间隔进行优化,同时部分形式添加边缘保护,提高整体的变形性能和稳定性;之后,对单向摩擦部件进行测试分析,为后文的多种性能实现提供基础。最终,使各部位在确保能实现各自功能的前提下,互不干涉,共同作用,组成整个机器人。(3)对机器人进行了全方位的实验测试及优化。以单波峰形式为例,进行了在不同频率下的爬行测试,以及在不同机理下的转向实验,最终实现了每秒80 mm的快速爬行与每秒28.78°的快速转向;通过单元叠加,在不同区域DE薄膜的联合作用下,实现了相同尺寸和负载电压下22.6%的变形增幅及更为复杂的姿态变化。此外,凭借自身的独特结构,机器人也具备抗冲击、高负重、可穿过一定缝隙和跨过一定障碍的能力,体现了较好的机动性和适应性。