CN111230911B - 一种基于4d打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于4D打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法。该基于4D打印柔性指关节手爪包括：手掌单元和与所述手掌单元连接的五个手指单元，各所述手指单元包括两个柔性指关节和两节指骨；各所述柔性指关节分为上下两层LCE液晶弹性体，各所述LCE液晶弹性体用于实现手指单元的双向弯曲运动。本发明能够对柔性指关节手爪精确控制。

Description

一种基于4D打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及智能材料4D打印领域，特别是涉及一种基于4D打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法。

背景技术

在过去的二十年中，柔性机器人已经成为一个越来越有吸引力的工程研究领域。这是由于新的机器人应用要求使用更轻便的机器以及更少的能量驱动。柔性机器人通常是利用软体材料制成，可以更好的适应各种环境。相比传统沉重复杂的刚性机械手和气动性软体手，基于4D打印的柔性指关节手爪具有更多好处，尤其体现在柔性指关节手爪可实现连续可逆变形以及结构-性能-功能的一体化设计。

4D打印就是利用智能“可编程物质”作为打印材料，通过3D打印的方式打印出三维物体，该物体能随着时间变化，在预定的外界刺激下，发生形状或结构的改变。基于4D打印的柔性指关节手爪通过对智能材料结构的设计，使得柔性手爪可在外界刺激下执行可控的动作。对智能材料结构越来越精密的设计以及不断完善的控制方法使得基于4D打印的柔性机器人将逐步取代传统机器人的部分机械部件。

如今，滑模控制早已有了一套比较完整的理论体系，并广泛应用于机械臂系统中，可以使被控系统沿着滑模规定的规律运行。柔性指关节手爪模型在设计过程中不可避免的存在一定的不确定性，而滑模控制的一个突出优点就是使系统对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有较好的不敏感性，能够克服系统的不确定性。

从现有专利中检索发现，中国专利公开号为CN106309083A，名称为一种EMG控制的气动软体康复机械手，公开了一种EMG控制的气动软体康复机械手，其每根手指是由软材料组成的中空腔体结构，利用气动驱动实现手指的弯曲和伸展。但该发明没有精确的控制算法，并且气动驱动方式材料的弯曲和伸展与外界刺激无关，而4D打印结构材料自驱动的方式是材料在外界刺激下产生弯曲或伸展的变化，即可根据环境的改变完成自适应变形，具有很好的灵活性和高效性。中国专利公开号为：CN110142969A，名称为一种4D打印材料抓取释放机构和方法，公开了一种4D打印材料抓取释放机构和方法，该抓取释放机构包括4D打印驱动控制结构及其支撑结构，在4D打印材料薄膜表面连接电极，通过电极控制材料的弯曲程度进而实现对不同材料的抓取。但该发明只是实现简单的弯曲行为，没有建立模型进行精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于4D打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法，能够实现对柔性指关节手爪的精确控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于4D打印柔性指关节手爪，包括：手掌单元和与所述手掌单元连接的五个手指单元，各所述手指单元包括两个柔性指关节和两节指骨；各所述柔性指关节分为上下两层LCE液晶弹性体，各所述LCE液晶弹性体用于实现手指单元的双向弯曲运动。

可选的，所述手掌单元由3D打印制作。

可选的，各所述手指单元的各所述柔性指关节和各所述指骨的打印材料分别相同，各所述柔性指关节分别与所述手掌单元和所述指骨平滑相接，所述指骨采用固定的硬质材料，所述硬质材料随着所述柔性指关节的弯曲而移动。

可选的，各所述指骨均采用3D打印树脂材料制成；各所述柔性指关节均由4D打印的液晶弹性体复合材料制成。

可选的，在各所述液晶弹性体的表面贴附弯曲曲率检测传感器和聚酰亚胺电热膜，所述弯曲曲率检测传感器用于监测所述柔性指关节的弯曲角度，当通入电流后所述聚酰亚胺电热膜产生热量，使得LCE液晶弹性体受热产生变形。

可选的，当通过外部给所述柔性指关节通电加热时，一层所述LCE液晶弹性体收缩，另一层所述LCE液晶弹性体膨胀，所述手指单元会向收缩的一侧弯曲；当停止通电时，所述手指单元将慢慢恢复原状。

一种基于4D打印柔性指关节手爪的轨迹跟踪控制方法，包括：

建立手指单元的动力学模型；

根据所述动力学模型和李雅普诺夫函数稳定性原理，设计滑模控制率；

根据所述滑模控制率控制各柔性指关节的弯曲角度，实现轨迹跟踪控制。

可选的，所述建立手指单元的动力学模型，具体包括：

沿手掌单元的掌骨所在水平面和与所述水平面的垂直的方向建立全局参考坐标系，并构建指骨的动力学模型；

建立沿各柔性指关节中性曲线的自然坐标系，并构建柔性指关节的动力学模型；

确定所述全局参考坐标系和所述自然坐标系之间的坐标转换矩阵；

根据所述全局参考坐标系，确定每个指骨的位置表达式和每个指骨的速度表达式；

根据所述坐标转换矩阵、各所述指骨的位置表达式和各所述指骨的速度表达式，得到相应的柔性指关节的位置表达式和相应的柔性指关节的速度表达式；

根据各所述柔性指关节的位置表达式和相应的各所述柔性指关节的速度表达式，确定每个手指单元对应的动能E_k和势能E_p；

根据各所述手指单元对应的动能和势能采用公式L＝E_k-E_p计算，得到各所述手指单元的拉普拉斯函数；

根据各所述手指单元的拉普拉斯函数，得到每个柔性指关节手指单元的动力学模型。

可选的，根据各所述手指单元的拉普拉斯函数，得到每个柔性指关节手指单元的动力学模型，具体包括：

将各所述手指单元的拉普拉斯函数依据拉格朗日公式，得到每个手指单元的运动方程；

根据各所述手指单元的运动方程，得到每个柔性指关节手指单元的动力学模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、本发明设计的柔性指关节手爪结构全部由3D或4D打印技术制作而成，制作成本低，具有很大的设计自由度，充分发挥了增材制造技术的优点。

2、本发明将柔性指关节和指骨分开进行模型的建立，克服了柔性机器人建模难的问题。

3、本发明应用柔性指关节手爪的拉格朗日运动学方程，进一步基于滑模控制设计了一种轨迹跟踪控制算法，填补了基于智能材料4D打印的柔性指关节手爪没有精确控制的空白，为柔性指关节手爪的精确弯曲和抓捕控制奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明4D打印柔性指关节手爪的立体图；

图2是本发明为各手指单元建立的坐标系的示意图；

图3是本发明柔性指关节示意图；

图4是本发明滑模控制的基本原理图；

图5是本发明基于4D打印柔性指关节手爪的轨迹跟踪控制方法流程图；

图6是本发明中使用的一个手指单元上的2个柔性指关节的轨迹跟踪仿真图；

图7是本发明中使用的一个手指单元上的2个柔性指关节的轨迹跟踪误差仿真图；

图8是本发明中使用的一个手指单元上的2个柔性指关节弯曲控制输入力矩变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于4D打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法，能够实现对柔性指关节手爪的精确控制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明4D打印柔性指关节手爪的立体图。如图1所示，一种基于4D打印柔性指关节手爪，包括：手掌单元1和与所述手掌单元1连接的五个手指单元2，各所述手指单元2包括两个柔性指关节3和两节指骨4，所有指骨4和柔性指关节3之间平滑连接，自身不发生形变，将随柔性指关节3弯曲而移动；各所述柔性指关节3分为上下两层LCE液晶弹性体5，各所述LCE液晶弹性体5用于实现手指单元2的双向弯曲运动。

所述手掌单元1由3D打印制作。各所述手指单元2的各所述柔性指关节3和各所述指骨4的打印材料分别相同，各所述柔性指关节3分别与所述手掌单元1和所述指骨4平滑相接，所述指骨4采用固定的硬质材料，所述硬质材料能随着柔性指关节3的弯曲而移动。各所述指骨4均采用3D打印树脂材料制成；各所述柔性指关节3由4D打印的液晶弹性体5复合材料制成。

各所述柔性指关节3分为上下两层LCE液晶弹性体5，在每层液晶弹性体5的表面贴附弯曲曲率检测传感器和聚酰亚胺电热膜，所述弯曲曲率检测传感器用于监测所述柔性指关节3的弯曲角度，当通入电流后所述聚酰亚胺电热膜产生热量，使得LCE液晶弹性体5受热产生变形。

当通过外部给所述柔性指关节3通电加热时，一层所述LCE液晶弹性体5收缩，另一层所述LCE液晶弹性体5膨胀，所述手指单元2会向收缩的一侧弯曲；当停止通电时，所述手指单元2将慢慢恢复原状。

图2是本发明为各手指单元2建立的坐标系的示意图。其中θ₁，θ₂分别为两个柔性指关节3的弯曲角度，q₁，q₂分别为每根指骨4的转动角度。

图3是本发明柔性指关节示意图。参照图1和图3，柔性指关节3由上下两层LCE液晶弹性体5复合智能材料制成，LCE液晶弹性体5表面贴有弯曲曲率检测传感器6和聚酰亚胺电热膜7，当通入电流或加热时，柔性指关节3发生弯曲。手掌单元1作为基座，该柔性指关节3手爪系统可多自由度的灵活弯曲，方便抓取物体，实现和“人手”类似的弯曲。

图4是本发明滑模控制的基本原理图。s(x)＝0为定义的滑模面，滑模控制可描述为在控制器作用下，系统状态从远离滑模面空间位置不断向滑模面s(x)＝0方向趋近，一旦达到滑模面位置将沿着设计的滑模面方向滑向平衡点，使系统最终渐进稳定在平衡点O位置。

图5是本发明基于4D打印柔性指关节手爪的轨迹跟踪控制方法流程图。如图5所示，一种基于4D打印柔性指关节手爪的轨迹跟踪控制方法包括：

步骤101：建立手指单元的动力学模型，具体包括：

步骤1011：沿手掌单元的掌骨所在水平面和与所述水平面的垂直的方向建立全局参考坐标系，并构建指骨的动力学模型。

步骤1012：建立沿各柔性指关节中性曲线的自然坐标系，并构建柔性指关节的动力学模型。

步骤1013：确定所述全局参考坐标系和所述自然坐标系之间的坐标转换矩阵，两个坐标系之间的坐标转换矩阵为：

其中θ_i为第i个柔性指关节的弯曲角度。

步骤1014：根据所述全局参考坐标系，确定每个指骨的位置表达式和每个指骨的速度表达式。

步骤1015：根据所述坐标转换矩阵、各所述指骨的位置表达式和各所述指骨的速度表达式，得到相应的柔性指关节的位置表达式和相应的柔性指关节的速度表达式。

步骤1016：根据各所述柔性指关节的位置表达式和相应的各所述柔性指关节的速度表达式，确定每个手指单元对应的动能E_k和势能E_p。

步骤1017：根据各所述手指单元对应的动能和势能采用公式L＝E_k-E_p计算，得到各所述手指单元的拉普拉斯函数。

步骤1018：根据各所述手指单元的拉普拉斯函数，得到每个柔性指关节手指单元的动力学模型，具体包括：

将各所述手指单元的拉普拉斯函数依据拉格朗日公式，得到每个手指单元的运动方程。具体的，依据拉格朗日公式可将每个手指单元的运动方程可表述为

其中τ_i∈R^P表示第i个柔性指关节的输入量或控制力矩；θ_i为第i个柔性指关节的弯曲角度；L为所述手指单元的拉普拉斯函数；t为时间。

根据各所述手指单元的运动方程，得到每个柔性指关节手指单元的动力学模型。具体的，可将所述的每个柔性指关节手指单元的动力学模型描述为：

其中q_i∈R^p表示第i个柔性指关节的广义坐标向量；

表示第i个柔性指关节的对称惯性矩阵；M(q_i)∈R^n×n表示第i个柔性指关节的科里奥利力矩；g(θ_i)表示第i个柔性指关节的广义有势力矩；τ_i∈R^P表示第i个柔性指关节的输入量或控制力矩。

步骤102：根据所述动力学模型和李雅普诺夫函数稳定性原理，设计滑模控制率。

所述柔性指关节手爪的轨迹跟踪控制，应用滑模控制设计滑模面为：

其中s为设计的滑模面，e为轨迹跟踪误差，λ的大小可以调节轨迹跟踪误差趋近于0的速度；再利用步骤1018中手指单元的动力学模型，根据李雅普诺夫函数稳定性设计如下滑模控制率：

其中M₀、C₀分别为M、C的名义值，其中M为科里奥利力矩，C为对称惯性矩阵，λ为实数，λ的大小可以调节轨迹跟踪误差趋近于0的速度，e为轨迹跟踪误差，q_d为期望位置，sgn(s)为符号函数，Γ为实数。

取Γ＝diag(γ₁,γ₂,…,γ_n)，(γ_i＞0)，由李雅普诺夫稳定性原理可知，要使系统稳定，则：

其中dM＝M-M₀，dC＝C-C₀，其中M为科里奥利力矩，C为对称惯性矩阵，M₀、C₀分别为M、C的名义值，λ为实数，λ的大小可以调节轨迹跟踪误差趋近于0的速度，e为轨迹跟踪误差，q_d为期望位置，γ_i为实数。

步骤103：根据所述滑模控制率控制各柔性指关节的弯曲角度，实现轨迹跟踪控制。

利用所设计的滑模控制率控制每个手指单元，使其柔性指关节的弯曲角度沿期望角度变化，从而实现轨迹跟踪控制，控制实现的最终目标可以表示为：s→0。

图6、图7和图8为柔性指关节手爪轨迹跟踪控制的仿真实现。具体的，图6是本发明中使用的一个手指单元上的2个柔性指关节的轨迹跟踪仿真图。图7是本发明中使用的一个手指单元上的2个柔性指关节的轨迹跟踪误差仿真图。图8是本发明中使用的一个手指单元上的2个柔性指关节弯曲控制输入力矩变化图。

本发明将滑模控制的思想和方法应用于4D打印智能结构，通过具体的仿真实验来检验所提到的轨迹跟踪滑模控制率的可行性，将控制算法应用于基于4D打印的柔性指关节手爪系统的一个手指单元，该手指单元包括两个柔性指关节和两个指骨，预设两个柔性指关节的期望轨迹分别为sin(πt)和cos(πt)。图6是本发明中使用的一个手指单元上的两个柔性指关节的轨迹跟踪仿真图，图6中点划线表示柔性指关节的期望轨迹，实线表示柔性指关节的跟踪轨迹，由仿真结果可知，第一个柔性指关节处的轨迹在1s之后接近于期望轨迹，第二个柔性指关节处的轨迹在0.6s之后接近于期望轨迹；图7是本发明中使用的一个手指单元上的两个柔性指关节的轨迹跟踪误差仿真图。图8是本发明中使用的一个手指单元上的两个柔性指关节弯曲控制输入力矩变化图。可根据控制输入力矩与柔性指关节位置关系方程控制柔性指关节手爪实现轨迹跟踪。仿真研究结果表明了柔性指关节手爪的轨迹跟踪控制方法的有效性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种基于4D打印柔性指关节手爪，其特征在于，包括：手掌单元和与所述手掌单元连接的五个手指单元，各所述手指单元包括两个柔性指关节和两节指骨；各所述柔性指关节分为上下两层LCE液晶弹性体，各所述LCE液晶弹性体用于实现手指单元的双向弯曲运动；

所述手掌单元由3D打印制作；各所述指骨均采用3D打印树脂材料制成；各所述柔性指关节均由4D打印的液晶弹性体复合材料制成；

在各所述液晶弹性体的表面贴附弯曲曲率检测传感器和聚酰亚胺电热膜，所述弯曲曲率检测传感器用于监测所述柔性指关节的弯曲角度，当通入电流后所述聚酰亚胺电热膜产生热量，使得LCE液晶弹性体受热产生变形；

当通过外部给所述柔性指关节通电加热时，一层所述LCE液晶弹性体收缩，另一层所述LCE液晶弹性体膨胀，所述手指单元会向收缩的一侧弯曲；当停止通电时，所述手指单元将慢慢恢复原状。

2.根据权利要求1所述的基于4D打印柔性指关节手爪，其特征在于，各所述手指单元的各所述柔性指关节和各所述指骨的打印材料分别相同，各所述柔性指关节分别与所述手掌单元和所述指骨平滑相接，所述指骨采用固定的硬质材料，所述硬质材料随着所述柔性指关节的弯曲而移动。

3.一种基于4D打印柔性指关节手爪的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-2任意一项所述的基于4D打印柔性指关节手爪，所述方法包括：

建立手指单元的动力学模型；

根据所述动力学模型和李雅普诺夫函数稳定性原理，设计滑模控制率；

根据所述滑模控制率控制各柔性指关节的弯曲角度，实现轨迹跟踪控制；

所述建立手指单元的动力学模型，具体包括：

沿手掌单元的掌骨所在水平面和与所述水平面的垂直的方向建立全局参考坐标系，并构建指骨的动力学模型；

建立沿各柔性指关节中性曲线的自然坐标系，并构建柔性指关节的动力学模型；

确定所述全局参考坐标系和所述自然坐标系之间的坐标转换矩阵；

根据所述全局参考坐标系，确定每个指骨的位置表达式和每个指骨的速度表达式；

根据所述坐标转换矩阵、各所述指骨的位置表达式和各所述指骨的速度表达式，得到相应的柔性指关节的位置表达式和相应的柔性指关节的速度表达式；

根据各所述柔性指关节的位置表达式和相应的各所述柔性指关节的速度表达式，确定每个手指单元对应的动能E_k和势能E_p；

根据各所述手指单元对应的动能和势能采用公式L＝E_k-E_p计算，得到各所述手指单元的拉普拉斯函数；

根据各所述手指单元的拉普拉斯函数，得到每个柔性指关节手指单元的动力学模型；

所述根据各所述手指单元的拉普拉斯函数，得到每个柔性指关节手指单元的动力学模型，具体包括：

将各所述手指单元的拉普拉斯函数依据拉格朗日公式，得到每个手指单元的运动方程；

根据各所述手指单元的运动方程，得到每个柔性指关节手指单元的动力学模型。

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