CN105619397B - 一种柔性执行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性执行器及其控制方法，旨在提供一种结构简单，能改变结构以适应多种环境的柔性执行器及其控制方法，其技术方案要点是包括：执行主体、驱动组件、控制组件，在执行主体内弹性空腔压力发生变化时，所以弹性空腔会发生弯曲或者由弯曲逐渐伸直，且由于弹性空腔可以发生形变，在执行主体抵触接触物时，执行主体能自身发生形变以适应接触物，并设置控制弹性空腔内压力的驱动组件，实现对弹性空腔内压力的增大或减小，并通过控制组件精准检测控制。

Description

一种柔性执行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及执行器，更确切地说涉及一种柔性执行器及其控制方法。

背景技术

传统的刚体执行器通过其刚性结构和转矩(扭力)以及位置(力)传感器等进行控制，如机械手等，这些刚体执行器能够较好的应用于工业生产，如抓取装配流程和点焊工艺等。但是由于其一般刚体执行器由刚性结构组成，这就决定了该类机器手有限的操作性和适应性，在环境接触面不确定或者连续不可导之类环境中的运动能力有限，如运动自由度较低，且不能够改变自身形状和尺寸以使其不能很好适用于范围广泛的任务和环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种结构简单，能改变结构以适应多种环境的柔性执行器及其控制方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种柔性执行器，包括：

执行主体，所述的执行主体包括弹性空腔，所述的弹性空腔设有限制弹性空腔径向膨胀的第一固定件以及限制弹性空腔一侧轴向膨胀的第二固定件；

驱动组件，所述的驱动组件与弹性空腔连接并控制弹性空腔内压力；

控制组件，所述的控制组件包括控制驱动组件的控制器、沿弹性空腔轴向设置的弯曲传感器、沿弹性空腔轴向间隔设置的惯性传感器、一端位于弹性空腔内的气压传感器。

优选的，所述的执行主体包括若干沿执行主体周向排布的弹性空腔。

优选的，所述的弹性空腔形状为弓形并包括弧形侧壁和矩形侧壁，所述的第二固定件设置于矩形侧壁上。

优选的，所述的弹性空腔的侧壁由一弧形侧壁和若干矩形侧壁组成，所述的矩形侧壁两侧边缘均设有第二固定件。

优选的，所述的弹性空腔的侧壁由一弧形侧壁和横截面为波浪状的波浪形侧壁组成，所述的第二固定件设置于波浪形侧壁上。

优选的，所述的驱动组件包括驱动弹性空腔内流体的泵体。

采用以上结构后，本发明的一种柔性执行器，与现有技术相比，具有以下优点：所述的执行主体包括弹性空腔，所述的弹性空腔设有限制弹性空腔径向膨胀的第一固定件以及限制弹性空腔一侧轴向膨胀的第二固定件,在弹性空腔内压力发生变化时，由于第二固定件将弹性空腔一侧限制轴向膨胀，所以弹性空腔会发生弯曲或者由弯曲逐渐伸直，且由于弹性空腔可以发生形变，在执行主体抵触接触物时，执行主体能自身发生形变以适应接触物，并设置控制弹性空腔内压力的驱动组件，实现对弹性空腔内压力的增大或减小，并通过控制组件精准检测控制，所述的控制组件包括控制驱动组件的控制器、沿弹性空腔轴向设置的弯曲传感器、沿弹性空腔轴向间隔设置的惯性传感器，一端位于弹性空腔内的气压传感器，所述的气压传感器可以实时准确反馈弹性空腔内压力，所述的惯性传感器可以实时反馈自身位置，通过各个惯性传感器自身位置能准确反应弹性空腔的空间位置，弯曲传感器能准确的反馈弹性空腔侧壁的弯曲程度，控制器接收气压传感器、惯性传感器、弯曲传感器信号并判断执行主体状况进行实时精确的控制，使柔性执行器能精准运行，且结构简单可靠。

本发明的技术解决方案是，还提供一种柔性执行器的控制方法，包括：

a、控制器接收弯曲角度X命令并识别执行主体原弯曲角度Y；

b、控制器对比弯曲角度X和原弯曲角度Y并控制驱动组件改变弹性空腔压力；

c、控制器实时接收惯性传感器发出的位置信号、弯曲传感器发出的弯曲角度信号以及气压传感器发出的气压信号；

d、控制器根据传感器信号变化值判断执行主体的弯曲角度并实现执行主体的弯曲角度为X。

优选的，所述的步骤d具体包括以下步骤：

d1、控制器根据实时位置信号、弯曲角度信号、气压信号分别得到实时弯曲角度Z1、Z2、Z3；

d2、控制器判断实时弯曲角度Z1、Z2、Z3，

当Z1、Z2、Z3均按一定偏差n内的幅度变化时，控制器判断实时弯曲角度Z1为实时执行主体弯曲角度，

当Z1、Z2、Z3未按一定偏差n内的幅度变化时，控制器取Z2和Z3的计算值为实时执行主体弯曲角度；

d3、控制器根据实时执行主体弯曲角度控制弹性空腔压力使执行主体的弯曲角度为X。

优选的，所述的步骤d2中控制器取Z2和Z3的计算值为实时执行主体弯曲角度是指：控制器将Z2和Z3分别乘以不同的权重并相加得到实时执行主体弯曲角度，所述的权重通过气压传感器、弯曲传感器与执行主体实际弯曲角度模型计算得到。

优选的，所述的执行主体原弯曲角度Y通过控制器上一次记录的执行主体弯曲角度得到或通过弯曲传感器实时检测得到。

采用以上结构后，本发明的一种柔性执行器，与现有技术相比，具有以下优点：通过气压传感器可以实时准确反馈弹性空腔内压力，所述的惯性传感器可以实时反馈自身位置，通过各个惯性传感器自身位置能准确反应弹性空腔的空间位置，弯曲传感器能准确的反馈弹性空腔侧壁的弯曲程度，控制器实时接收气压传感器、惯性传感器、弯曲传感器信号并比较三者之间的变化值判断执行主体的实时弯曲角度，减少各种因素对自身判断的干扰，且避免了自身形变的干扰，能准确检测并准确控制。

附图说明

图1是本发明的一种柔性执行器的结构示意图。

图中所示：1、执行主体；2、控制组件；3、驱动组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参阅图1所示，本发明的提供一种柔性执行器，包括：执行主体1、驱动组件3、控制组件2，所述的执行主体1包括弹性空腔，所述的弹性空腔设有限制弹性空腔径向膨胀的第一固定件以及限制弹性空腔一侧轴向膨胀的第二固定件；所述的驱动组件3与弹性空腔连接并控制弹性空腔内压力；所述的控制组件2包括控制驱动组件3的控制器、沿弹性空腔轴向设置的弯曲传感器、沿弹性空腔轴向间隔设置的惯性传感器、一端位于弹性空腔内的气压传感器，优选的，所述的执行主体1包括若干沿执行主体1周向排布的弹性空腔，所述的执行主体1包括弹性空腔，所述的弹性空腔设有限制弹性空腔径向膨胀的第一固定件以及限制弹性空腔一侧轴向膨胀的第二固定件,在弹性空腔内压力发生变化时，由于第二固定件将弹性空腔一侧限制轴向膨胀，所以弹性空腔会发生弯曲或者由弯曲逐渐伸直，且由于弹性空腔可以发生形变，在执行主体1抵触接触物时，执行主体1能自身发生形变以适应接触物，并设置控制弹性空腔内压力的驱动组件3，实现对弹性空腔内压力的增大或减小，并通过控制组件2精准检测控制，所述的控制组件2包括控制驱动组件3的控制器、沿弹性空腔轴向设置的弯曲传感器、沿弹性空腔轴向间隔设置的惯性传感器、一端位于弹性空腔内的气压传感器，所述的气压传感器可以实时准确反馈弹性空腔内压力，所述的惯性传感器可以实时反馈自身位置，通过各个惯性传感器自身位置能准确反应弹性空腔的空间位置，弯曲传感器能准确的反馈弹性空腔侧壁的弯曲程度，控制器接收气压传感器、惯性传感器、弯曲传感器信号并判断执行主体1状况进行实时精确的控制，使柔性执行器能精准运行，且结构简单可靠。

控制器具体控制如下，该控制器利用气压传感器采集弹性空腔内部压力值信号，并将该信号经过模/数转换器送给微控制器芯片，然后通过增量式PID算法控制进入腔体的气流量从而控制执行器的姿态。整个装置的硬件平台主要由电源模块，控制电路，打气泵，电磁阀组，气压传感器、惯性传感器、弯曲传感器以及气管气动接头和外围电路组成。控制电路中主要由微控制器芯片，MOSFET模块和压力传送器模块组成的。电源模块由24V开关电源和降压模块组成，24V开关电源将220V交流电转化成24V直流电，降压模块将24V直流电转化成12V和3.3V的直流电供给装置工作。微控制器芯片产生PWM波信号输入到MOSFET管栅极从而驱动高频电磁阀的通断。由于PWM波的控制实质是利用面积等效原理，这就要求系统有足够高的可调频率，因此该系统中使用开关频率高达200Hz的电磁阀，阀门的开断时间为5ms，分别连接柔性执行器，打气泵，消声器作为排气孔。取PWM波频率为150Hz，通过调节PWM占空比，即调节高频电磁阀的接通和断开时间，可以控制进气压力，通过气压传感器、惯性传感器、弯曲传感器信号反馈给微控制器芯片，微控制器芯片再改变方波的占空比(PWM)来控制电磁阀的通断时间来改变气压以达到设定的气压值。

所述的弹性空腔形状为弓形并包括弧形侧壁和矩形侧壁，所述的第二固定件设置于矩形侧壁上，所述的弹性空腔的侧壁由一弧形侧壁和若干矩形侧壁或一波浪形侧壁组成，所述的矩形侧壁两侧边缘均设有第二固定件，在弹性空腔内压力发生变化时，由于第二固定件将弹性空腔一侧限制轴向膨胀，所以弹性空腔会发生弯曲或者由弯曲逐渐伸直，将限制轴向膨胀的一侧设置为若干矩形或者波浪形，能稳定弯曲且不容易有褶皱等，弧形侧壁能容纳较多气体或液体，且折角较小，受力更加均匀，该弹性空腔可由硅橡胶在两种模具中经过两次硫化作用形成，该腔体内使用不可伸长的纤维绕线交叉缠绕形成第一固定件，并在腔体的平面侧嵌入玻璃纤维纸形成第二固定件，则该腔体在冲入气体时会向平面侧弯曲，且腔体内气压越大，该腔体的弯曲角度越大。

所述的驱动组件3包括驱动弹性空腔内流体的泵体，通过泵体控制弹性空腔内流体，简单可靠，且响应快速。

本发明的技术解决方案是，还提供一种柔性执行器的控制方法，包括：

a、控制器接收弯曲角度X命令并识别执行主体1原弯曲角度Y；

b、控制器对比弯曲角度X和原弯曲角度Y并控制驱动组件3改变弹性空腔压力；

c、控制器实时接收惯性传感器发出的位置信号、弯曲传感器发出的弯曲角度信号以及气压传感器发出的气压信号；

d、步骤具体如下：

d1、控制器根据实时位置信号、弯曲角度信号、气压信号分别得到实时弯曲角度Z1、Z2、Z3；

d2、控制器判断实时弯曲角度Z1、Z2、Z3，

当Z1、Z2、Z3均按一定偏差n内的幅度变化时，控制器判断实时弯曲角度Z1为实时执行主体1弯曲角度，

当Z1、Z2、Z3未按一定偏差n内的幅度变化时，控制器取Z2和Z3的计算值为实时执行主体1弯曲角度；

d3、控制器根据实时执行主体1弯曲角度控制弹性空腔压力使执行主体1的弯曲角度为X。

本发明的一种柔性执行器的控制方法，通过气压传感器可以实时准确反馈弹性空腔内压力，所述的惯性传感器可以实时反馈自身位置，通过各个惯性传感器自身位置能准确反应弹性空腔的空间位置，弯曲传感器能准确的反馈弹性空腔侧壁的弯曲程度，控制器实时接收气压传感器、惯性传感器、弯曲传感器信号并比较三者之间的变化值判断执行主体1的实时弯曲角度，减少各种因素对自身判断的干扰，且避免了自身形变的干扰，能准确检测并准确控制。

惯性传感器具有精度高的特点，但是当设置执行主体1的部件运动时，放于执行主体1的惯性传感器无法识别是执行主体1的运动还是其余部件的运动，这样会使得控制失效，弯曲传感器具有的优点是控制简单灵活，但是其控制的角度范围小，在角度变大时，误差变大，气压传感器的优点在于连接于气体支路上，对柔性执行器的运动无任何影响，但是其需要建立系统的模型，及弯曲角度与气压力之间的映射关系。在角度较小时，外部输入较小的气流就会产生很大的影响，本发明采用上述三中传感器并控制，当Z1、Z2、Z3均按一定偏差n内的幅度变化时，即没有其他部件运动干扰，由于惯性传感器精度最高，信任惯性传感器的，当Z1、Z2、Z3未按一定偏差n内的幅度变化时，即惯性传感器的角度变化但是此时气压和弯曲为未按照相同的幅度变化，这时候由于其他部件干扰影响了惯性传感器的反馈值，采用Z2和Z3的计算值为实时执行主体1弯曲角度，所述的步骤d2中控制器取Z2和Z3的计算值为实时执行主体1弯曲角度是指：控制器将Z2和Z3分别乘以不同的权重并相加得到实时执行主体1弯曲角度，所述的权重通过气压传感器、弯曲传感器与执行主体1实际弯曲角度模型计算得到，具体可以通过以下步骤实现，气压和弯曲传感器在角度检测上是一定程度互补的(大角度，气压传感器好；小角度，弯曲传感器好)，因此设计一个互补滤波器进行两者之间的角度融合，在不同的角度下，对气压与弯曲的信任度不同(即他们占得比例不同)，即在原始数据中采用了最准确的数据，大大提升了执行主体1运行精确性。

所述的执行主体1原弯曲角度Y通过控制器上一次记录的执行主体1弯曲角度得到或通过弯曲传感器实时检测得到，通过原始数据记忆得到执行主体1弯曲角度，可以大大加快检测速度，且有一定的准确性，通过实时检测得到执行主体1弯曲角度精度更高，且两者相互对比配合使用，使控制方法更加灵活，使执行主体1运行更加顺畅。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柔性执行器的控制方法，其特征在于，柔性执行器包括：

执行主体，所述的执行主体包括弹性空腔，所述的弹性空腔设有限制弹性空腔径向膨胀的第一固定件以及限制弹性空腔一侧轴向膨胀的第二固定件；

驱动组件，所述的驱动组件与弹性空腔连接并控制弹性空腔内压力；

控制组件，所述的控制组件包括控制驱动组件的控制器、沿弹性空腔轴向设置的弯曲传感器、沿弹性空腔轴向间隔设置的惯性传感器、一端位于弹性空腔内的气压传感器；该控制方法包括以下步骤：

a、控制器接收弯曲角度X命令并识别执行主体原弯曲角度Y；

b、控制器对比弯曲角度X和原弯曲角度Y并控制驱动组件改变弹性空腔压力；

c、控制器实时接收惯性传感器发出的位置信号、弯曲传感器发出的弯曲角度信号以及气压传感器发出的气压信号；

d、控制器根据传感器信号变化值判断执行主体的弯曲角度并实现执行主体的弯曲角度为X。

2.根据权利要求1所述的柔性执行器的控制方法，其特征在于，所述的执行主体包括若干沿执行主体周向排布的弹性空腔。

3.根据权利要求1所述的柔性执行器的控制方法，其特征在于，所述的弹性空腔形状为弓形并包括弧形侧壁和矩形侧壁，所述的第二固定件设置于矩形侧壁上。

4.根据权利要求1所述的柔性执行器的控制方法，其特征在于，所述的弹性空腔的侧壁由一弧形侧壁和若干矩形侧壁组成，所述的矩形侧壁两侧边缘均设有第二固定件。

5.根据权利要求1所述的柔性执行器的控制方法，其特征在于，所述的弹性空腔的侧壁由一弧形侧壁和横截面为波浪状的波浪形侧壁组成，所述的第二固定件设置于波浪形侧壁上。

6.根据权利要求1所述的柔性执行器的控制方法，其特征在于，所述的驱动组件包括驱动弹性空腔内流体的泵体。

7.根据权利要求1所述的柔性执行器的控制方法，其特征在于，所述的步骤d具体包括以下步骤：

d1、控制器根据实时位置信号、弯曲角度信号、气压信号分别得到实时弯曲角度Z1、Z2、Z3；

d2、控制器判断实时弯曲角度Z1、Z2、Z3，

当Z1、Z2、Z3均按一定偏差n内的幅度变化时，控制器判断实时弯曲角度Z1为实时执行主体弯曲角度，

当Z1、Z2、Z3未按一定偏差n内的幅度变化时，控制器取Z2和Z3的计算值为实时执行主体弯曲角度；

d3、控制器根据实时执行主体弯曲角度控制弹性空腔压力使执行主体的弯曲角度为X。

8.根据权利要求7所述的柔性执行器的控制方法，其特征在于，所述的步骤d2中控制器取Z2和Z3的计算值为实时执行主体弯曲角度是指：控制器将Z2和Z3分别乘以不同的权重并相加得到实时执行主体弯曲角度，所述的权重通过气压传感器、弯曲传感器与执行主体实际弯曲角度模型计算得到。

9.根据权利要求7所述的柔性执行器的控制方法，其特征在于，所述的执行主体原弯曲角度Y通过控制器上一次记录的执行主体弯曲角度得到或通过弯曲传感器实时检测得到。