CN111396274A - 一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金(SMA)的感知驱动一体化薄板驱动器，属于软体机器人技术领域。该驱动器包括两块固定板、柔性传感器阵列、硅胶基体、弹性薄片以及SMA丝。当通过导线对SMA丝通电加热时，SMA丝收缩，拉动驱动器向硅胶基体一侧弯曲，并通过弹性薄片上的柔性传感器阵列测得该驱动器的弯曲状况，进而相应地调节SMA丝的收缩状态，达到精确控制驱动器弯曲程度的目的。这里可以通过调节柔性传感器的尺寸、数量和分布状况对弯曲状况测量效果进行优化。本发明感知驱动一体化薄板驱动器具有体积小，反应灵敏，能量密度高以及控制准确的优点，能够作为基础控制单元组成各类轻质灵活的末端执行器，具有较高的实用性。

Description

一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域，涉及一种基于形状记忆合金(SMA)的感知驱动一体化薄板驱动器。
背景技术
随着机器人技术的日益发展，机器人的服务领域已由最初的工业用途逐渐转向家庭、医疗、战场和探测等其他领域。传统的工业机器人，由于其具有刚性身体、复杂结构、有限自由度及身体笨重等特点，限制了其在小型、复杂的非结构化空间中的作业能力。软体机器人躯体采用硅胶、橡胶等柔性材料制成，在工作过程中具有较好的连续性和安全性，适用于上述人机交互场合。
在软体机器人领域，形状记忆合金(SMA)驱动是一种较为热门的驱动方式。SMA丝只需通电加热便可发生相应的形变，驱动方便，噪声低。此外，由于SMA本身的材料特性，该驱动还具有能量密度高、动作连续以及使用寿命长的优点。SMA利用热能来发生形变，不同温度下，于奥氏体(相变终止状态)和马氏体(相变开始状态)之间切换，实现形状变化。但是，在实际应用过程中，SMA的温度难以实时测得，使得SMA的相变程度难以实现精准控制，因此目前基于SMA的柔性驱动器一般只能通过通电和断电实现二值化控制(即相变前状态和相变终止状态切换)，具有较差的鲁棒性。
为实现对基于SMA的柔性驱动器的精确控制，本发明使用柔性传感器阵列来对驱动器的弯曲状况进行监控，不同弯曲状况下，柔性传感器反馈的信号值不同，根据测得的信号值可得知驱动器的弯曲状况，进而调节通过SMA丝的电流大小或者电压占空比来间接调控驱动器的工作状态。
发明内容
本发明的目的在于提出一种使用SMA丝驱动的软体驱动器，利用其上的柔性传感器，获得驱动器的弯曲状态，再通过负反馈调节，实现对驱动器弯曲状态的精准控制。
本发明的功能是通过以下技术方案实现的：一种基于形状记忆合金(SMA)的感知驱动一体化薄板驱动器，包括两块固定板、柔性传感器阵列、硅胶基体、弹性薄片以及SMA丝，所述两块固定板包括自由端固定板和固定端固定板；所述SMA丝首尾两端固定在固定端固定板上，并且按照一定的顺序穿过两块所述固定板上的小孔，与两块固定板一起浇筑在硅胶基体中；所述弹性薄片与所述硅胶基体粘贴在一起，且背面粘贴多片柔性传感器，构成所述柔性传感器阵列；所述驱动器工作过程中，需将固定端固定板固定，对所述SMA丝通电，SMA丝发热收缩，带动驱动器弯曲至SMA丝拉力力矩与弹性薄片的弹性力力矩相抵消位置；所述柔性传感器阵列测得驱动器上不同位置的离散曲率，通过拉格朗日插值法，得到沿驱动器的连续曲率分布，进而通过拟合得出驱动器的重构弯曲形状，得出实际弯曲角度，再通过负反馈调节，调整该驱动器的弯曲角度，达到驱动器弯曲角度精确控制的目的。
进一步地，所述两块固定板，其上的小孔具有特定的规律性，以保证SMA丝能够按照一定顺序穿过其中，并在硅胶基体宽度方向上对称均匀分布，使得驱动器在动作过程中沿宽度方向上的应力具有均匀一致性。
进一步地，所述硅胶基体，应采用弹性模量较低的硅胶软体材料制成，以保证在所述驱动器弯曲过程中发生较大的形变。
进一步地，所述弹性薄片弹性模量较高，在所述SMA丝通电，驱动器弯曲过程中，存储弹性势能；在所述SMA丝断电，驱动器逐渐回复形状过程中，弹性势能释放，使驱动器回复正常形状。
进一步地，所述柔性传感器阵列可以通过改变传感器尺寸，数量和分布位置获取不同类型的实时曲率数据，进而对驱动器的弯曲状况测量效果进行优化。
本发明的原理在于：
一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器，包括两块固定板、柔性传感器阵列、硅胶基体、弹性薄片以及SMA丝。
其中，两块固定板分别为自由端固定板和固定端固定板，通电导线从固定端固定板引出。当驱动器工作时，需将固定端固定板固定。
其中，该驱动器利用分层浇筑方式，将两块固定板和SMA丝浇筑于硅胶基体内部。
其中，两块固定板上分布着规律的小孔，SMA丝按照一定顺序穿过小孔，两端固定于固定端固定板上，并沿宽度方向分成均匀分布的许多段，以确保SMA丝收缩时，驱动器沿宽度方向上应力均匀分布。
其中，使用一整根SMA丝以串联的方式穿过诸多小孔，能够保证通过各段的电流大小相同，在弯曲过程中收缩量保持一致。同时，若某一段SMA丝松动，长度与其他段SMA丝不同，那么在通电之后，首尾两端固定的情况下，SMA丝自行张紧，确保每一段SMA丝长度相同。
其中，弹性薄片与硅胶基体粘贴在一体，硅胶基体可以带动弹性薄片一起弯曲。
其中，弹性薄片另一侧均匀粘贴多片柔性传感器，通过柔性传感器可以测得该驱动器不同部位的离散曲率，通过拉格朗日插值法得到驱动器的连续曲率，进而拟合出驱动器整体的弯曲形状，得出驱动器的实际弯曲角度。
其中，柔性传感器的尺寸，数量和分布方式可自行调节，以实现不同的曲率测量方式和效果。例如，使用小型的方形短应变片，可以测得驱动器上不同点处的近似曲率值；使用长条形的长应变片，可以测得驱动器上不同段的平均曲率值。
本发明提供的一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器，包括两块固定板、柔性传感器阵列、硅胶基体、弹性薄片以及SMA丝。
其中，SMA由于其形状记忆特性，在通电加热后，SMA丝沿长度方向上收缩。由于SMA丝和两个固定板一起浇筑于硅胶基体内，因此收缩的SMA丝带动硅胶基体收缩，硅胶基体带动弹性薄片。由于弹性薄片弹性模量要远大于硅胶基体，且SMA丝位于弹性薄片一侧，当SMA丝收缩时，SMA丝上的拉力通过硅胶基体作用到弹性薄片上，相当于对驱动器施加一个弯矩，导致该薄板驱动器会向软体一侧弯曲。SMA丝在断电之后，温度下降，内应力降低。此时，在弹性薄片弹性力的作用下，硅胶基体逐渐回复正常形状。由于固定板与硅胶基体之间有较大的接触面积，在硅胶基体回复正常形状过程中，可通过固定板对SMA丝施加一定的拉力，SMA丝被拉长，驱动器逐渐恢复正常状态。在上述驱动器动作过程中，粘贴于弹性薄片各处的柔性传感器实时检测驱动器不同部位的离散曲率，通过拉格朗日插值法得出驱动器上的连续曲率，再用曲线拟合的方式得出重构的驱动器弯曲形状，得出驱动器实际弯曲角度，进而根据这一信息调节输入至SMA丝的电流功率，调节驱动器的弯曲程度，实现对该薄板驱动器弯曲程度的精确控制。
本发明与现有技术相比的优点为：
(1)本发明使用SMA丝驱动，具有较高的能量密度，使得驱动器具有体积小，功率大的特点。
(2)本发明使用硅胶制作基体材料，具有轻便、柔软等特点，连续性好，安全性高，能够保障使用者的安全，适用于众多人机交互的场所。
(3)本发明通过柔性传感器阵列对软体驱动器的弯曲程度进行实时监控，通过负反馈调节，实现了软体驱动器弯曲程度的精确控制，克服了传统SMA驱动器只能实现二值化控制的缺点。
(4)本发明所公布的软体驱动器，可以作为最基本的控制单元，组成各类轻便的末端执行器，具有较高的实用价值。
附图说明
图1为本发明一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器正常状态下的结构示意图；
图2为本发明一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器弯曲状态下的结构示意图；
图3为本发明一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器SMA丝分布示意图；
图4为本发明一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器使用短应变片时的背面贴片示意图。
图5为本发明一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器使用长应变片时的背面贴片示意图。
图中，1为固定板，2为柔性传感器阵列，3为硅胶基体，4为弹性薄片，5为SMA丝，1.a和1.b分别为自由端固定板和固定端固定板，2.a和2.b分别为短应变片和长应变片，5.a和5.b为SMA丝的首尾两个端部。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步讲述。
如图1所示，本发明所公布的一种基于形状记忆合金的薄板驱动器，包括固定板(自由端固定板1.a，固定端固定板1.b)、柔性传感器阵列2、硅胶基体3、弹性薄片4以及SMA丝5。如图3所示，固定板1上分布着规律的小孔，SMA丝5按照一定规律从小孔中穿过，SMA丝5的首尾两个端部(5.a，5.b)固定在固定端固定板1.b上。SMA丝5与两块固定板(自由端固定板1.a，固定端固定板1.b)一起被浇筑于硅胶基体3中。硅胶基体3与弹性薄片4粘结在一起，使得二者能够相互带动变形。在弹性薄片4背面粘贴着柔性传感器阵列2。柔性传感器可以采用不同的尺寸，数量和分布位置获取不同类型的实时曲率数据，进而对驱动器的弯曲状况测量效果进行优化。
图4和图5为柔性传感器的两个实施例，分别采用短应变片2.a和长应变片2.b来进行形状感知。短应变片2.a尺寸小，应变区域小，沿驱动器长度方向均匀分布，宽度上对齐，可以视为测得的曲率数据为点数据。长应变片2.b尺寸大，应变区域广，沿驱动器对角线方向均匀分布，此种分布方式对驱动器宽度方向刚度的影响可忽略不计，测得的曲率数据可视为不同段的平均曲率。
图4和图5中柔性传感器的分布均为均匀分布，在其他实施方式中，可自行根据需求调节分布方式。
如图1所示，在通电加热后，SMA丝5沿轴向收缩带动硅胶基体3收缩，由于弹性薄片4弹性模量要远大于硅胶基体3，因此该薄板驱动器会向硅胶基体3一侧弯曲，变成图2所示弯曲情况。在SMA丝5断电之后，在弹性薄片4弹性力的作用下，硅胶基体3逐渐回复正常形状，并通过两块固定板(自由端固定板1.a，固定端固定板1.b)拉伸SMA丝5至初始状态，驱动器从图2所示弯曲状态恢复成图1所示正常状态。在上述驱动器动作过程中，通过柔性传感器阵列2实时得到弹性薄片4背面不同位置的离散曲率值，通过拉格朗日插值法，得出沿弹性薄片4长度方向的连续曲率值，进而通过相关算法拟合出驱动器的实时弯曲状态，得出驱动器的实际弯曲角度，再通过负反馈调节调整输入驱动器的电流功率大小，调整实际弯曲角度向期望角度靠拢，实现对该薄板驱动器驱动状况的精确控制。

Claims (5)

1.一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器，包括两块固定板、柔性传感器阵列、硅胶基体、弹性薄片以及SMA丝，其特征在于：所述两块固定板包括自由端固定板和固定端固定板；所述SMA丝首尾两端固定在固定端固定板上，并且按照一定的顺序穿过两块所述固定板上的小孔，与两块固定板一起浇筑在硅胶基体中；所述弹性薄片与所述硅胶基体粘贴在一起，且背面粘贴多片柔性传感器，构成所述柔性传感器阵列；所述驱动器工作过程中，需将固定端固定板固定，对所述SMA丝通电，SMA丝发热收缩，带动驱动器弯曲至SMA丝拉力力矩与弹性薄片的弹性力力矩相抵消位置；所述柔性传感器阵列测得驱动器上不同位置的离散曲率，通过拉格朗日插值法，得到沿驱动器的连续曲率分布，进而通过拟合得出驱动器的重构弯曲形状，得出实际弯曲角度，再通过负反馈调节，调整该驱动器的弯曲角度，达到驱动器弯曲角度精确控制的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器，其特征在于：所述两块固定板，其上的小孔具有特定的规律性，以保证SMA丝能够按照一定顺序穿过其中，并在硅胶基体宽度方向上对称均匀分布，使得驱动器在动作过程中沿宽度方向上的应力具有均匀一致性。
3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器，其特征在于：所述硅胶基体，应采用弹性模量较低的硅胶软体材料制成，以保证在所述驱动器弯曲过程中发生较大的形变。
4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器，其特征在于：所述弹性薄片弹性模量较高，在所述SMA丝通电，驱动器弯曲过程中，存储弹性势能；在所述SMA丝断电，驱动器逐渐回复形状过程中，弹性势能释放，使驱动器回复正常形状。
5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器，其特征在于：所述柔性传感器阵列可以通过改变传感器尺寸，数量和分布位置获取不同类型的实时曲率数据，进而对驱动器的弯曲状况测量效果进行优化。
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