CN114619444A - 双程sma弹簧驱动的软体机器人弯曲模块及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及机器人技术领域，特别涉及双程SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲模块及其控制方法，其中，本申请设计并实现了一种由SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲模块，分别通过直流电加热SMA和压缩空气主动冷却SMA实现对机器人弯曲和恢复的双向驱动；为了实现对机器人弯曲姿态的闭环控制，设计了一种双通道控制算法，分别实现对机器人弯曲角度和摆动角度的闭环控制，并成了SMA的加热和主动冷却；此外，机器人模块还可以通过控制器协调二自由度弯曲运动，实现对预定义轨迹和随机生成轨迹的有效运动跟踪，具有相当的应用前景。
Description
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，特别涉及一种双程SMA(Shape Memory Alloy，形状记 忆合金)弹簧驱动的软体机器人弯曲模块及其控制方法。
背景技术
机器人设备在工业和人民日常生活中扮演着越来越重要的角色。传统机器人通常由刚 性部件和驱动电机组成，能够准确、快速、高效地执行可重复的任务。但其由钢铁等金属 构成的机器人本体对环境的适应性有限，且对与之交互的操作员安全性很低。为了克服这 些限制，研究人员开发了由柔软材料制成的具有连续可变形的软体机器人。经过多年的发 展，软体机器人已经证明了其在操纵易碎物体、在复杂地形中移动、探索未知区域和医疗 用途等方面的潜力。然而，在外科手术和环境检测等实际应用中，总是要求机器人本体或 末端执行器有着高度的运动可控性，以实现可编程和可靠的运动，从而完成检测和操作任 务。但对软体机器人而言，其本体结构的柔软性和连续的变形对运动控制则是一个巨大挑 战。
在软体机器人众多的驱动器类型中，SMA是一种可以通过温度刺激从变形形状恢复到 原始形状的一种具有高能量密度、低驱动电压的智能材料。各种SMA驱动的软机器人已经 被相继研发出来，能够实现基本的操纵和移动功能，其中包括利用其高能量密度特性制作 出来的可跳跃的机器人，如在水上跳跃，在地面上切换步态和跳跃，无缆化驱动，甚至在 狭窄空间(如血管)中运动。然而，相关技术中通常是手动或通过一些简单的经验算法控制软体机器人，严重依赖于操作员的经验，大大限制了软体机器人的进一步应用。一些研究人员通过使用简单的比例积分微分(PID)控制器控制机器人，表现出了较好的控制性能，这表明SMA驱动的软体机器人具有精准运动控制的潜能。为了进一步提高SMA驱动的软 体机器人的性能，进一步推广其在日常生活中的运用，需要开发针对此类机器人实现快速 运动和承担一定外部负载的控制器和控制系统。
发明内容
本申请第一方面实施例提供一种双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统，包括：机器人 弯曲模块本体，所述机器人弯曲模块本体由三只双程形状记忆合金SMA弹簧驱动，其中，双程SMA弹簧具有双向形状记忆效应；传感系统，用于获取所述软体机器人的当前姿态信息；SMA驱动系统，用于对机器人系统中的双程SMA弹簧进行加热或冷却；控制系统， 用于根据所述软体机器人的目标姿态信息和所述当前姿态信息计算施加在三只双程SMA 弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号，并将信号发送至SMA驱动系统执行，加热或冷却 驱动软体机器人运动的三只SMA弹簧，使得所述软体机器人达到目标姿态。
本申请第二方面实施例提供一种双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统的控制方法，包 括以下步骤：获取所述软体机器人的当前姿态信息；根据所述软体机器人的目标姿态信息 和所述当前姿态信息计算施加在三只双程SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号；将 信号发送至SMA驱动系统执行，加热或冷却驱动软体机器人运动的三只SMA弹簧，使得 所述软体机器人达到目标姿态。
进一步地，所述当前姿态信息包括所述软体机器人的当前弯曲角度和当前摆动角度， 所述目标姿态信息包括所述软体机器人的目标弯曲角度和目标摆动角度；根据所述软体机 器人的目标姿态信息和所述当前姿态信息计算施加在三只双程SMA弹簧上的加热电压信 号或冷却气流信号，包括：根据所述当前弯曲角度和所述目标弯曲角度生成弯曲角度通道 的控制信号，并通过方向调节器将所述弯曲角度控制信号映射到所述软体机器人的三只 SMA弹簧的驱动状态上；根据所述当前摆动角度和所述目标摆动角度生成摆动角度通道的 控制信号，其中，结合机器人当前摆动角度、目标摆动角度以及三只SMA弹簧之间的相互 关系，计算摆动角度控制信号；将两路所述通道的控制信号相加，并进行饱和与归一化处 理，最终得到施加三只双程SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号。
本申请第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程 序被处理器执行，以用于实现上述实施例所述的双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统的控 制方法。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统总体示意图；
图2为根据本申请实施例提供的双程SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲模块本体的分解 图及其组成；
图3为根据本申请实施例提供的机器人柔性杆的横截面图；
图4为根据本申请实施例提供的机器人的控制算法示意图；
图5为根据本申请实施例提供的机器人姿态描述和控制方法示意图；
图6为根据本申请实施例提供的机器人控制算法流程图；
图7为根据本申请实施例提供的机器人闭环控制系统的实验装置示例图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面将参考附图描述本申请实施例的双程SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲模块及其控制方法。具体而言，如图1所示，双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统，包括：机器 人弯曲模块本体100、传感系统200、SMA驱动系统300和控制系统400。
其中，机器人弯曲模块本体100由三只双程形状记忆合金SMA弹簧驱动，其中，双程SMA弹簧具有双向形状记忆效应；传感系统200用于获取软体机器人的当前姿态信息；SMA驱动系统300用于对机器人系统中的双程SMA弹簧进行加热或冷却；控制系统400用于根 据软体机器人的目标姿态信息和当前姿态信息计算施加在三只双程SMA弹簧上的加热电 压信号或冷却气流信号，并将信号发送至SMA驱动系统300执行，加热或冷却驱动软体机 器人运动的三只SMA弹簧，使得软体机器人达到目标姿态。
根据SMA弹簧在结构中的偏心收缩导致结构弯曲的变形原理，设计了如图2所示的机 器人本体弯曲模块100。弯曲单元由三只SMA弹簧联合驱动。其中，三只SMA弹簧经过 特殊的热处理工艺，具有双程形状记忆效应，其低温马氏体态和高温马氏体态分别对应两 种弹簧长度。当SMA弹簧受热升温时，形状记忆效应产生，SMA晶体结构逐渐转变为奥 氏体态，宏观体现为弹簧长度的缩短，从而导致机器人结构向某一侧的弯曲运动，三只SMA 弹簧联合驱动理论上可以实现机器人弯曲模块的三维运动。而当SMA弹簧恢复到室温时， SMA晶体结构逐渐恢复为马氏体态，由于其双程形状记忆效应，弹簧长度将恢复为室温状 态下的长度，机器人弯曲模块随之恢复其原始形状。
如图2所示，软体机器人弯曲模块本体100由五部分组成：包括：三只SMA弹簧②在模块的中心轴周围相隔120°周向排列，并固定在两个刚性端盖：顶盖①和底盖⑤上。机器人的柔性杆由两种不同材料组成的弹性体连接而成(内芯③和外芯④)。整个机器人模块装配 完毕后可以连接到一个外部的连接端口⑥上，此外，在顶盖和底盖上分别设计了三个小喷 嘴，为SMA弹簧的冷却气流提供管道接口。
为了降低柔性杆的弯曲刚度，如图3所示，可以将柔性杆的横截面设计为类似三叶草 的形状，以在同等的SMA驱动力下增加其运动范围(即最大弯曲角度)。其中，柔性杆内环部分可以由较硬的硅橡胶材料制成(例如Sil 950，肖氏A硬度～50A，杨氏模量～1.8Mpa)， 以提高柔性杆的轴向压缩刚度，以避免SMA驱动状态下对柔性杆产生的轴向压缩力导致其 的屈曲失稳；柔性杆的外环部分由较软的硅橡胶制成(例如Dragon Skin 10，肖氏A硬度 ～10A，杨氏模量～150kPa)，以降低柔性杆整体的弯曲刚度。弹性杆的三个周向排列的孔可 以通过铸造工艺一体化成型，为SMA弹簧预留相应的空间，三个孔的设计尺寸直径略大于 弹簧外径，以确保弹簧在驱动状态下可以尽可能地自由变形。设计的中心孔用于放置电缆。 软体弹性杆通过两步铸造工艺制造，先铸造内环硬芯，然后铸造外环结构；刚性连接件均 使用塑料进行3D打印。SMA弹簧和柔性杆均使用速溶胶粘合到顶盖和底盖上。
为了使机器人触手进行往复的弯曲运动(即弯曲和伸展)，本申请实施例中使用的SMA 弹簧经过了特殊热处理训练，具有双向形状记忆效应。当SMA加热到奥氏体相变温度区间 (49℃至79℃)时，SMA的晶体结构发生了从马氏体转变为奥氏体的相变过程，SMA弹 簧将随之收缩，因为在其奥氏体相对应所记忆的较短的弹簧长度。冷却到马氏体相后，由 于其双程形状记忆效应，SMA弹簧将恢复到其原始长度。例如，用于制造弹簧的合金丝为 直径可以为0.5mm的镍钛合金丝，弹簧的外径可以为2mm，螺距可以为2.5mm，在室温 下，SMA弹簧的长度为60mm，在此温度下，机器人弯曲模块呈直线状。在自由状态下， 将弹簧加热至49℃至79℃之间，弹簧将收缩至42mm的最小长度。当SMA弹簧安装在 柔性杆的偏心孔中时，弹簧的长度缩短会导致机器人朝向该驱动弹簧的方向弯曲。在相变 温度范围内连续改变温度，机器人将相应地产生不同程度的弯曲运动。同时驱动两只弹簧， 触手将朝两只驱动弹簧之间的方向弯曲。通过调节三只弹簧的温度，机器人可以实现2自 由度弯曲运动(即弯曲运动和摆动运动)。如果在触手的顶盖和底盖平面上建立法向量和坐 标系，可以定义机器人的弯曲角θ和摆动角
以完全表征机器人的2自由度弯曲运动。 进一步地，同时驱动三只SMA弹簧将导致机器人柔性杆的轴向压缩并增加机器人的结构刚 度。
综上，本申请设计了一种由SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲模块，利用三只具有双程 形状记忆效应的SMA弹簧的可往复运动驱动特性，实现了软体机器人模块的三维弯曲运动。
进一步而言，对于任何自动化系统，可靠和精准的传感系统对于其精确的运动控制至 关重要。在本申请实施例中，机器人的姿态信息包括弯曲角和摆动角，通过运动捕捉系统 获得，如图4所示，四个标记点固定在机器人顶端的特定位置，其中三个标记点与中心的 距离相同，且分别对应三只SMA弹簧。另一个冗余标记用于破坏其他三个点的几何对称性， 以便跟踪摄像机可以准确识别每个标记的位置，以在相机坐标系中输出其正确的空间坐标。 根据三点确定平面的原理，可以计算由标记点组成的平面(如图5中的a图中的n)法向 量，该法向量可用于描述触手的弯曲运动。值得注意的是，该姿态向量n是在相机坐标系中表达，而不是在机器人的基坐标中直接表达。
机器人的基坐标系可以通过以下方法获得。当机器人弯曲模块呈直线形状(无弯曲变 形)时，本申请实施例可以将此时的姿态向量定义为n0，这是机器人的原始姿态；然后， 将n0的方向定义为基坐标系的Oz轴，其中O被视为基准坐标的原点。Ox和Oy轴可以通过右手法则定义，以形成完整的笛卡尔坐标O-xyz(如图5中的a图所示)。上述计算在每 次系统初始化的过程中完成，在控制系统运行期间，机器人固定底座与跟踪摄像机之间的 相对位置不能发生改变，否则必须停止运行并重新初始化。一旦获得O-xyz的定义信息和 当前时刻机器人的姿态向量n，就可以通过坐标投影获得运动学信息，从而计算出θ和
其中，弯曲角θ在[0°,90°]范围内，摆动角
在
范围内，
是触手 的期望摆动角度。将公式1和公式2一起求解，可以计算出θ和
下面将参照附图描述根据本申请实施例提出的双程SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲 模块的控制算法。
如图6所示，该双程SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲模块的控制算法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取软体机器人的当前姿态信息。
在步骤S102中，根据软体机器人的目标姿态信息和当前姿态信息计算施加在三只双程 SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号。
其中，当前姿态信息包括软体机器人的当前弯曲角度和当前摆动角度，目标姿态信息 包括软体机器人的目标弯曲角度和目标摆动角度。
在本实施例中，根据软体机器人的目标姿态信息和当前姿态信息计算施加在三只SMA 弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号，包括：根据软体机器人的目标姿态信息和当前姿 态信息计算施加在三只双程SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号，包括：根据当前 弯曲角度和目标弯曲角度生成弯曲角度通道的控制信号，并通过方向调节器将弯曲角度控 制信号映射到软体机器人的三只SMA弹簧的驱动状态上；根据当前摆动角度和目标摆动角 度生成摆动角度通道的控制信号，其中，结合机器人当前摆动角度、目标摆动角度以及三 只SMA弹簧之间的相互关系，计算摆动角度控制信号；将两路通道的控制信号相加，并进 行饱和与归一化处理，最终得到施加三只双程SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信 号。
可以理解的是，双通道弯曲控制器根据目标弯曲值对应的目标姿态信息和实际姿态信 息计算三只SMA的驱动状态，两路通道分别基于弯曲角度和摆动角度设计：弯曲角度通道 根据实际弯曲角度和目标弯曲角度生成弯曲角度控制信号，并通过方向调节器将弯曲角度 控制信号映射到软体机器人的三只SMA弹簧的驱动状态上；摆动角度通道根据实际摆动角 度和目标摆动角度之间的相对位置，结合三只SMA弹簧的位置，通过所设计的状态机控制 器计算出三只SMA弹簧的对应的驱动状态。将两通道计算所得的SMA驱动状态信号相加， 并进行饱和与归一化处理，得到最终得到每只SMA弹簧的驱动状态作为控制器的输出。
具体而言，为了控制机器人到达所需的弯曲姿态，需要同时计算出三只SMA的加热和 冷却状态，即控制器需要根据机器人当前时刻的姿态信息θ和
以及目标姿态信息θd和
同时计算三只SMA弹簧的加热电压和冷却气流共计6个信号作为输出。对于机器人而言，这6个系统输入高度耦合，共同影响其弯曲运动。因此，本申请实施例提出了一种新型双 通道弯曲姿态控制器，有效地控制此类结构机器人的弯曲姿态，控制器的结构示意图如图 4所示，它包含两个平行控制通道，一个通道用于弯曲角度控制，另一个通道用于摆动运 动控制。两个控制通道并行计算出每只SMA弹簧的驱动状态，然后将来自两个通道的控制 信号相加，随后将计算所得的控制信号发送到MCU映射到其相应的控制引脚，用于SMA 弹簧的加热和冷却，以完成整个闭环控制流程。接下来将详细讨论控制器的两个控制通道。 在控制系统的实现中，使用一阶Euler方法对控制器的计算和迭代进行离散化便于实现数字 控制。
弯曲角度θ的控制通道为第一个控制通道，主要负责计算弯曲角度θ的控制信号，使 用经典的比例积分(PI)控制器对其进行控制：
其中，Kpθ和Kiθ是控制器参数，eθ是控制误差。接下来对uθ(t)进行处理，使用一个方 向调节器将该信号值分别映射到三只SMA的方向上。在系统初始化过程中，还需要预先确 定xOy平面上三只SMA弹簧的位置。首先计算由三个标记点组成的平面三角形的中心坐标O，然后计算每只SMA对应的标记点位置相对于中心点的方向向量；在xOy平面内， 将三个方向向量定义为
它们表示SMA在摄像机坐标系中的方向向量。方向调 节器负责将控制信号uθ(t)根据机器人的期望姿态的摆动角度
分别分配到三只SMA驱动 信号u1θ(t)，u2θ(t)，u3θ(t)。本申请实施例可以使用一种简单的投影方法将uθ(t)线性映射到三 只SMA上：
需要说明的是，方向调节器不包含摆动角度
的传感信息，因此摆动角度并没有实现 闭环控制。换言之，调节器可以给出uθ(t)的大致方向，但不能精准控制摆动角。摆动角度 的闭环控制通过第二个通道实现，根据实际摆动角度和目标摆动角度生成摆动角度的控制 信号。
摆动角度
的闭环控制，即第二个控制通道，用于调节三只SMA弹簧的驱动状态以实现对摆动角度的闭环控制。基于三只SMA对机器人摆动运动的复杂耦合效应，本申请实施例了结合状态机控制器的设计思想及人工操作此类机器人的经验，结合机器人当前摆动角度，目标摆动角度，以及三只SMA弹簧之间的相互位置关系，设计了一种状态机控制器，用于处理摆动角度的复杂控制问题。根据机器人的SMA在xOy平面内布局配置，该平面 中有五个方向向量：
和
分别对应三只SMA弹簧的平面位置向量，目标 摆动角度的平面位置向量，及当前摆动角度的平面位置向量。根据这五个向量的相对位置， 将所有可能的场景划分为五种情况(如图5的b图所示，并为每种情况分别设计了相应的 控制策略。这些不同的策略均旨在收敛摆角误差
下文分别介绍并讨论每 种情况下的控制策略：
对于情况Ⅰ，
和
在两只SMA弹簧的相同间隔内(如5的b图中的
和
)。根 据SMA弹簧与
和
的相对位置，将SMA弹簧的三个方向向量重新定义为
和
代表不在
和
周围的那只SMA的方向向量。其他两个SMA的方向向量定义为
和
其中，
始终可以通过从
逆时针旋转120°获得。将情况Ⅰ的控制器设计为一个 简单的比例(P)控制器和一个简单的前馈补偿项：
式中，u+(t)，u－(t)和ufar(t)分别代表着位于
和
处SMA的控制信号，Kp+，Kp－，Kf+和Kf－为控制器参数，其中Kp+和Kf+为正值，Kp－和Kf－为负值。
是期望姿态 的摆动角度
随时间的变化率。在系统的实际运行过程中，先根据系统的实际状态建立
到
的映射关系，再分别计算每只SMA的控制信号。需要说明的是，情 况Ⅰ是唯一能够将摆角误差
收敛到0的情况，因此所有其他情况都将被视为过渡情况。
在情况II中，
和
位于两对不同的SMA弹簧间隔中(例如，如5的b图中的中
在
和
之间，
在
和
之间)，且
和
的末端在xOy平面内的角度差
为一小 角度，即
(本申请实施例可以选取σi＝10°)。在这种情况下，
跟随
同时进行 小误差情况下的SMA驱动区间过渡。将SMA弹簧的三个方向向量重新定义为
和
定义为xOy平面内距离
最远的向量，
是由
和
夹住的向量，
则 是
中剩余的向量。设计此情况下的闭环控制策略为：
式中，ubetween(t)，u－(t)和ufar(t)分别代表位于
和
处SMA的控制信号。Kpbetween，Kp－，Kpfar，Kf_between，Kf_far，和Kf－为控制器参数，其中Kpbetween，Kpfar，Kf_between和Kf_far为正值，Kp－，Kf－为负值。根据上述实施例的映射关系，可以计算出此类情况下三 只SMA弹簧的控制信号。
情况Ⅲ和情况II总体相似，但
和
的末端在xOy平面内的角度差
为一相对较大 角度，即
(本申请实施例中可以选取σs＝120°)，
到
的映射关系与情况II也相同。情况Ⅲ会出现是因为
已经较大，系统需要快速过渡到情 况I和情况II中，因此将情况II中的控制策略修改应用到此情况中：
式中Kpbetween，Kp－和Kpfar为与情况II释义相同但数值不同的控制器参数。Δubetween， Δu－和Δufar则为新增加的常数补偿项，其中Δubetween和Δufar为正值，Δu－为负值。用于增强 控制器的鲁棒性和确保情况III的快速过渡。
情况Ⅳ和情况Ⅴ的条件均为
即
已经非常大。本申请实施例可以通过
到
方向过渡路径上SMA弹簧的数量(1或2)进一步区分情况Ⅳ和情况Ⅴ。情况Ⅳ中的控制方法与情况Ⅲ完全相同，只是控制器的参数整定不同，尤其是Δubetween，Δu－和Δufar。 情况Ⅴ可能是控制器设计最为困难的情景，因为三只SMA弹簧需要同时工作以达到所需的 摆动角度，因此可以使用过渡参考状态
作为临时的指令状态以替代
该状态具 有与所需姿势相同的弯曲角度，但具有不同的摆动角度方向
如图5的b图中的情 况V所示。本申请实施例可以将
定义为
相差90°且夹在
和
之间的值，然后，使用
而不是
作为控制目标，遵循情况Ⅰ或情况Ⅲ的控制策略，因为作为临时指令
满足
在接下来的控制过程中，当摆动方向接近中间指令
时，再将控制目标切换回
由于
和
有90°的差异，可以充分利用之前所开发和验证过的控制算法。经过上述两个步骤，对于情况Ⅴ，可以得到
和
至此已经完 成了所有情况下针对摆角误差的控制器设计。
至此已经完成了所有情况下针对摆角误差的控制器设计。下面将对控制回路中的几个 其他步骤进行阐述，以便于控制算法的最终实现，具体如下：
由于MCU(Micro Controller Unit，微控制器单元)生成的控制命令信号是占空比在0％ 到100％范围内变化的PWM(Pulse width modulation，脉宽调制)信号，因此需要在此范 围内映射控制器的最终输出。同时，这也意味着系统的输入是有饱和的，因此采用了饱和 处理方法，将计算所得的信号中过大或过小的信号截断，只保留-1到1的范围，使之与执 行器所接收的PWM信号对应起来。
加热与冷却的切换法则：由于加热和冷却都是改变SMA驱动状态以使机器人到达所需 弯曲姿态的重要手段，因此如何协调这两个相互冲突的能量流非常重要。为了节约能源， 本申请实施例中的加热和冷却过程在时间尺度上是互斥的。这里采用简单的切换法则：若 控制器输出为正，则加热SMA，若控制器输出为负，则冷却SMA。由于冷却过程比加热过程慢得多，本申请实施例还为冷却信号添加了一个增益(>1)，以使系统的正向/负向动态响应更加平衡。
在步骤S103中，将信号发送至SMA驱动系统执行，加热或冷却驱动软体机器人运动的三只SMA弹簧，使得软体机器人达到目标姿态。
实现机器人反馈控制的硬件设置如图7所示。在控制回路中，通过3D运动捕捉系统监测安装在端盖上的四个标记点的位置，获得机器人末端的运动学信息，即弯曲角θ和摆动角
其中，参考信号θd和
可以预先定义并写入准备好的文件中，也可以从其他人机 交互设备生成。使用计算机接收上述传感和参考信号，然后通过上述实施例的控制算法计 算控制信号。控制信号(u1、u2、u3)表示应用于该回路中每只SMA弹簧的驱动状态，并 通信发送至MCU，MCU将控制信号转换为具有不同占空比的六个PWM(Pulse width modulation，脉宽调制)输出信号。其中三个信号用于通过驱动三个晶体管控制SMA的加 热电流，这三个晶体管连接到三个具有5V直流DC电源输入的SMA弹簧；其他三个信号 用于通过控制可调速气泵的气流，并连接至机器人中用于冷却三只SMA弹簧。完成上述所 有步骤后，连接各个设备和器件，完整的控制回路建立完毕。
此外，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程 序被处理器执行时实现如上的双程SMA弹簧驱动的软体机器人的控制方法。
综上，本申请基于双程SMA弹簧驱动的软体机器人运动特性提出了一种融合古典控制 方法和状态控制方法的双通道控制算法，实现了软体机器人弯曲角度和摆动角度的闭环控 制，通过协调机器人的弯曲和摆动运动，实现了对二自由度弯曲信号的有效运动跟踪，同 时融合了SMA弹簧的加热和主动冷却，具有一定的应用前景和价值。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包 含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必 须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任 一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或 者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个 或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分， 并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序， 包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的 实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实 施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或 固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技 术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离 散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列，现场可编程门 阵列等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可 以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中， 该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统，其特征在于，包括：
机器人弯曲模块本体，所述机器人弯曲模块本体由三只双程形状记忆合金SMA弹簧驱动，其中，双程SMA弹簧具有双向形状记忆效应；
传感系统，用于获取所述软体机器人的当前姿态信息；
SMA驱动系统，用于对机器人系统中的双程SMA弹簧进行加热或冷却；以及
控制系统，用于根据所述软体机器人的目标姿态信息和所述当前姿态信息计算施加在三只双程SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号，并将信号发送至SMA驱动系统执行，加热或冷却驱动软体机器人运动的三只SMA弹簧，使得所述软体机器人达到目标姿态。
2.一种如权利要求1所述的双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取所述软体机器人的当前姿态信息；
根据所述软体机器人的目标姿态信息和所述当前姿态信息计算施加在三只双程SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号；
将信号发送至SMA驱动系统执行，加热或冷却驱动软体机器人运动的三只SMA弹簧，使得所述软体机器人达到目标姿态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当前姿态信息包括所述软体机器人的当前弯曲角度和当前摆动角度，所述目标姿态信息包括所述软体机器人的目标弯曲角度和目标摆动角度；
根据所述软体机器人的目标姿态信息和所述当前姿态信息计算施加在三只双程SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号，包括：
根据所述当前弯曲角度和所述目标弯曲角度生成弯曲角度通道的控制信号，并通过方向调节器将所述弯曲角度控制信号映射到所述软体机器人的三只SMA弹簧的驱动状态上；
根据所述当前摆动角度和所述目标摆动角度生成摆动角度通道的控制信号，其中，结合机器人当前摆动角度、目标摆动角度以及三只SMA弹簧之间的相互关系，计算摆动角度控制信号；
将两路所述通道的控制信号相加，并进行饱和与归一化处理，最终得到施加三只双程SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求2-3任一项所述的双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统的控制方法。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104175314A (zh) * | 2014-08-15 | 2014-12-03 | 北京航空航天大学 | 基于sma和ssma驱动的软体机器人 |
| CN106945012A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-07-14 | 浙江工业大学 | 一种能自主检测运动位姿的仿生软体机器人 |
| CN206703006U (zh) * | 2017-04-11 | 2017-12-05 | 浙江工业大学 | 一种能自主检测运动位姿的仿生软体机器人 |
| JP2018144165A (ja) * | 2017-03-03 | 2018-09-20 | 株式会社キーエンス | 画像処理装置、画像処理方法、画像処理プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器 |
| CN110216665A (zh) * | 2019-06-19 | 2019-09-10 | 广东工业大学 | 一种sma驱动的仿尺蠖模块化软体机器人 |
| CN111496799A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-08-07 | 中国科学技术大学 | 一种精确控制形状记忆合金复合软体驱动器的方法 |
| CN113199470A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-08-03 | 南方科技大学 | 一种抓取装置及软体机械臂的控制方法 |
| CN113858187A (zh) * | 2021-10-21 | 2021-12-31 | 上海交通大学 | 基于sma弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法及系统 |
-
2022
- 2022-01-17 CN CN202210050233.7A patent/CN114619444B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104175314A (zh) * | 2014-08-15 | 2014-12-03 | 北京航空航天大学 | 基于sma和ssma驱动的软体机器人 |
| JP2018144165A (ja) * | 2017-03-03 | 2018-09-20 | 株式会社キーエンス | 画像処理装置、画像処理方法、画像処理プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器 |
| CN106945012A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-07-14 | 浙江工业大学 | 一种能自主检测运动位姿的仿生软体机器人 |
| CN206703006U (zh) * | 2017-04-11 | 2017-12-05 | 浙江工业大学 | 一种能自主检测运动位姿的仿生软体机器人 |
| CN110216665A (zh) * | 2019-06-19 | 2019-09-10 | 广东工业大学 | 一种sma驱动的仿尺蠖模块化软体机器人 |
| CN111496799A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-08-07 | 中国科学技术大学 | 一种精确控制形状记忆合金复合软体驱动器的方法 |
| CN113199470A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-08-03 | 南方科技大学 | 一种抓取装置及软体机械臂的控制方法 |
| CN113858187A (zh) * | 2021-10-21 | 2021-12-31 | 上海交通大学 | 基于sma弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法及系统 |
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