CN114619477B - 4d打印构件、柔性手指结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请适用于4D打印技术领域，提供了一种4D打印构件、柔性手指结构及控制方法，4D打印构件包括加热层和致动层，加热层上的第一导电电极与电源电连接，致动层的第一侧面和加热层连接，致动层上与第一侧面相背对的第二侧面上设有沟槽和第二导电电极，沟槽中填充导电物质，第二导电电极分别与导电物质和控制系统电连接。加热层用于根据电源提供的电能产生热量改变致动层的温度，使致动层发生形变。致动层发生形变时，导电物质的微结构改变导致其阻值发生变化，控制系统通过对导电物质的阻值进行分析，实现对4D打印构件弯曲角度的实时检测并根据4D打印构件的实时弯曲角度调节加热层的输入电压，实现对4D打印构件弯曲角度的精确调控。

Description

4D打印构件、柔性手指结构及控制方法

技术领域

本申请属于4D打印技术领域，尤其涉及一种4D打印构件、柔性手指结构及控制方法。

背景技术

软体机器人具有高自由度，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。然而，软体机器人的大变形运动导致普通传感器难以满足柔性和可扩展性的要求，即使将柔性传感器组合在一起，整个控制系统的结构也会变得更加复杂。

4D打印技术的出现使得软体机器人实现传感驱动一体化成为可能。4D打印是一种跨学科高度交叉融合的制造技术。4D打印的构件可以在光、电、磁和热等外部因素的激励诱导下，随时空变化而自主调控其自身的形状、性能和功能，从而满足“变形”、“变性”和“变功能”的应用需求。4D打印软体机器人不需要复杂的驱动结构，且具有多种功能特性，包括传感、自修复、自组装功能。但目前的4D打印构件仅仅关注其物理形状的变化，尚未建立4D打印智能构件形状、性能、功能一体化可控或自主变化的方法。

从现有技术中检索发现，公开号为CN214177184U和CN112751502A的专利申请公开了一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，提供了一种自供能传感系统。该方案将基于4D打印技术的摩擦纳米发电机装配在关节处，根据摩擦发电组件之间相对转动角度与输出电信号的特征之间的关系，来检测关节运动的角度。该方法通过4D打印的材料实现了结构中的自传感，但只是利用传感器的状态检测功能来反映自身的运动状态，而没有利用传感器的信息参数来进一步调节其运动性能。

发明内容

本申请实施例提供了一种4D打印构件、柔性手指结构及控制方法，实现柔性手指的传感、致动与控制一体化。

第一方面，本申请实施例提供了一种4D打印构件，包括加热层和致动层，所述加热层上设有第一导电电极，所述第一导电电极用于与电源电连接，所述致动层的第一侧面和所述加热层连接，所述致动层上与第一侧面相背对的第二侧面上设有沟槽和第二导电电极，所述沟槽中填充有导电物质，所述第二导电电极分别与所述导电物质和控制系统电连接；

所述加热层用于根据所述电源提供的电能产生热量，以改变所述致动层的温度；所述致动层的温度变化时，所述致动层发生形变，进而使所述导电物质发生形变，使所述导电物质的电阻发生变化。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述致动层的第二侧面上的沟槽呈网格状设置。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述加热层为聚酰亚胺电热膜，所述致动层为液晶弹性体，所述导电物质为多壁碳纳米管。

第二方面，本申请实施例提供了一种柔性手指结构，包括第一4D打印构件、第二4D打印构件、第一指骨、第二指骨和第三指骨；所述第一4D打印构件和所述第二4D打印构件均为第一方面任一项所述的4D打印构件，所述第一指骨通过所述第一4D打印构件与所述第二指骨连接，所述第二指骨通过所述第二4D打印构件与所述第三指骨连接；

所述第一4D打印构件中的第一导电电极和所述第二4D打印构件中的第一导电电极分别与电源电连接，所述第一4D打印构件中的第二导电电极和所述第二4D打印构件中的第二导电电极分别与控制系统电连接。

第三方面，本申请实施例提供了一种柔性手指结构的控制方法，包括：

建立柔性手指结构的动力学模型，所述动力学模型包括标称部和不确定部；

将积分终端滑模面引入到所述标称部，确定所述标称部的滑模控制律；

将滑模趋近律引入到所述不确定部，确定所述不确定部的滑模控制律；

根据所述标称部的滑模控制律和所述不确定部的滑模控制律，确定所述动力学模型的滑模控制律；

根据所述动力学模型的滑模控制律，控制所述柔性手指结构。

在第三方面的一种可能的实现方式中，建立柔性手指结构的动力学模型，所述动力学模型包括标称部和不确定部，包括：

根据欧拉-拉格朗日方程，建立柔性手指结构的动力学模型；

所述动力学模型为：

其中，为柔性关节的弯曲角速度，/>为柔性关节的弯曲角加速度，M为对称正定惯量矩阵，C为向心力矩阵和科里奥利力矩阵，G为重力矩阵，u为作用在柔性关节上的控制输入，d为外部干扰矩阵；

将所述动力学模型分为标称部和不确定部；

其中，和/>为系统的标称动力学参数，/>和为系统的不确定性参数。

在第三方面的一种可能的实现方式中，所述标称部的滑模控制律的确定公式为：

其中，u_c为所述标称部的滑模控制律，为柔性关节的弯曲角速度，/>为柔性关节的弯曲角加速度，M为对称正定惯量矩阵，C为向心力矩阵和科里奥利力矩阵，G为重力矩阵。

在第三方面的一种可能的实现方式中，所述不确定部的滑模控制律的确定公式为：

其中，u_r为所述不确定部的滑模控制律，为柔性关节的弯曲角速度，M为对称正定惯量矩阵，δ₀、δ₁和δ₂为自适应律常数，s为引入的积分终端滑模面。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请实施例提供的4D打印构件中的加热层用于根据电源提供的电能产生热量，以改变致动层的温度，当致动层的温度变化时，致动层发生形变，实现4D打印构件的动作。通过控制加热层的电压，可以实现对4D打印构件形变的控制。致动层发生形变时，导电物质发生形变，使导电物质的电阻发生变化，控制系统通过对导电物质的阻值进行分析，可以实现4D打印构件形变的监控。由此，控制系统可以对4D打印构件进行形变的控制以及形变状态的监控。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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是本申请一实施例提供的4D打印构件的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的柔性手指结构的结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的柔性手指结构的控制方法的流程示意图；

图4是本申请一实施例提供的柔性手指结构坐标系的示意图；

图5是本申请一实施例提供的精确控制两个柔性关节弯曲到固定角度的响应曲线图；

图6是本申请一实施例提供的控制两个柔性关节动态跟踪外部传感信号的响应曲线图；

图7是本申请一实施例提供的控制柔性关节弯曲角度的实验示意图；

图8是本申请一实施例提供的动态跟踪外部传感信号的实验示意图。

图中：10、加热层；20、致动层；30、导电物质；40、导电胶带；50、第一导电电极；60、第二导电电极；201、第一4D打印构件；202、第二4D打印构件；203、第一指骨；204、第二指骨；205、第三指骨。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当…时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

图1示出了本申请一实施例提供的4D打印构件的结构示意图。参见图1所示，4D打印构件包括加热层10和致动层20，加热层10上设有第一导电电极50，第一导电电极50用于与电源电连接，致动层20的第一侧面和加热层10连接，致动层20上与第一侧面相背对的第二侧面上设有沟槽和第二导电电极60，所述沟槽中填充有导电物质30，所述第二导电电极60分别与所述导电物质30和控制系统电连接。

具体的，加热层10通电后产生焦耳热，使致动层20的温度发生变化。当致动层20温度发生变化时，致动层20发生形变。当致动层20发生形变时，沟槽中的导电物质30的微结构也随之发生变化，导致导电物质30的电阻发生变化，控制系统通过对导电物质30的阻值进行分析，可以实现对4D打印构件弯曲角度的实时检测并根据4D打印构件的实时弯曲角度与期望弯曲角度之间的误差来调节加热层的输入电压，实现对4D打印构件形变的精确调控。

示例性的，加热层10为聚酰亚胺电热膜，聚酰亚胺电热膜通电后产生焦耳热。致动层20为液晶弹性体，利用微纳制造工艺在液晶弹性体的一侧表面压印纳米网格状的沟槽结构，并在沟槽中刮涂具有导电物质30的溶液，晾干后得到传感结构。导电物质30为多壁碳纳米管。将加热层10粘贴在致动层20没有传感结构的一侧，得到4D打印构件。

在加热层10和传感结构的两端分别贴有导电胶带40并分别引出各自的导电电极，加热层10引出的为第一导电电极50，其中第一导电电极50包括两个电极引脚，用于与电源电连接。致动层20上传感结构引出的为第二导电电极60，第二导电电极60包括两个电极引脚，用于与控制系统电连接。

具体的，当聚酰亚胺电热膜通电后产生的焦耳热能有效地引起液晶弹性体致动层20产生变形。通过对聚酰亚胺电热膜施加或去除外部电压，可以控制液晶弹性体致动层20的温度，进而控制液晶弹性体产生可逆变形。

当液晶弹性体的温度超过各向同性转变温度后，液晶弹性体发生相变，使致动层20的收缩和聚酰亚胺电热膜产生热膨胀。界面应变失配会引起4D打印构件的弯曲变形，冷却后4D打印构件会恢复到原来的形状。

致动层20上的传感结构的传感机制是网格结构微沟槽中的微裂纹扩展引起的电阻阻值变化。弯曲变形前，微沟槽中微裂纹不明显。当传感结构发生弯曲变形时，微裂纹会根据弯曲程度的不同而扩展。这反过来又会增加传感器的电阻。在随后的循环中，微裂纹在传感结构弯曲/恢复过程中会在相同的位置再生和恢复。由于多壁碳纳米管被限制在沟槽中，变形恢复后，多壁碳纳米管之间的微裂纹会恢复，导致传感结构电阻下降，直到初始值。利用该特性可通过传感结构的电阻变化分析4D打印构件的形变，并反馈给控制系统进行精确控制。

图2示出了本申请一实施例提供的柔性手指结构的结构示意图。参见图2所示，柔性手指结构包括第一4D打印构件201、第二4D打印构件202、第一指骨203、第二指骨204和第三指骨205，第一4D打印构件201和第二4D打印构件202均为上述所述的4D打印构件。

具体的，第一指骨203通过第一4D打印构件201与第二指骨204连接，第一4D打印构件201作为一个柔性关节。第二指骨204通过第二4D打印构件202与第三指骨连接，第二4D打印构件202作为一个柔性关节。第一4D打印构件201中的第一导电电极和第二4D打印构件202中的第一导电电极分别与电源电连接，第一4D打印构件201中的第二导电电极和第二4D打印构件202中的第二导电电极分别与控制系统电连接。

示例性的，第一指骨203、第二指骨204和第三指骨205采用聚二甲基硅氧烷材料制作而成，第一指骨203、第二指骨204和第三指骨205能够跟随第一4D打印构件201和第二4D打印构件202的弯曲而转动。

当控制系统控制4D打印构件(第一4D打印构件201或第二4D打印构件202)接通电源后，4D打印构件中的致动层发生收缩形变，加热层发生膨胀，使4D打印构件发生弯曲形变，柔性手指结构向致动层收缩的一侧弯曲。当控制系统控制4D打印构件断电后，柔性手指结构慢慢恢复到原状。

控制系统能够接收第二导电电极输出的信号，通过对信号进行分析可以确定柔性手指结构的弯曲角度，然后根据柔性手指结构的弯曲角度和期望弯曲角度之间的误差调节施加在4D打印构件(第一4D打印构件201或第二4D打印构件202)中第一导电电极上的电压，使柔性手指结构的弯曲角度达到期望弯曲角度。控制系统与柔性手指结构构成了闭环系统，实现了控制系统对柔性手指结构的精准控制。

图3示出了本申请一实施例提供的柔性手指结构的控制方法的流程示意图。参见图3所示，柔性手指结构的控制方法包括：

步骤S301，建立柔性手指结构的动力学模型，动力学模型包括标称部和不确定部。

具体的，根据欧拉-拉格朗日方程建立动力学模型，其中动力学模型包括标称部和不确定部。

假设柔性手指结构中的每个柔性关节以均匀曲率弯曲，将柔性手指结构的柔性关节视为传统机械臂的关节部分，参见图4。其中θ₁和θ₂分别为两个柔性关节的弯曲角度，L₁和L₂分别为两个指骨的长度。根据欧拉-拉格朗日方程，可以将柔性手指结构的基本动力学模型描述为：

其中，为柔性关节的弯曲角速度，/>为柔性关节的弯曲角加速度，M为对称正定惯量矩阵，C为向心力矩阵和科里奥利力矩阵，G为重力矩阵，u为作用在柔性关节上的控制输入，d为外部干扰矩阵，d∈R²，u＝[u₁,u₂]^T，M∈R^2×2，C∈R²。

由于系统存在不确定性，因此将动力学模型分为标称部和不确定部，具体描述如下：

其中， 和/>为系统的标称动力学参数，/>和/>为系统的不确定性参数。

步骤S302，将积分终端滑模面引入到标称部，确定标称部的滑模控制律。

具体的，引入积分终端滑模面，设计针对标称动力学方程的滑模控制律u_c，使系统在有限时间内达到跟踪目标，实现高速高精度的跟踪性能。

首先针对动力学模型中的标称部，引入积分终端滑模面为：

其中，e为轨迹跟踪误差，α和β为设计的两个滑模参数，q₁和q₂为两个正奇数，且满足q₂＞q₁＞0。

再利用动力学模型，在忽略不确定性部分的情况下，令得到标称部的滑模控制律：

其中，u_c为标称部的滑模控制律，为柔性关节的弯曲角速度，/>为柔性关节的弯曲角加速度，M为对称正定惯量矩阵，C为向心力矩阵和科里奥利力矩阵，G为重力矩阵。

步骤S303，将滑模趋近律引入到不确定部，确定不确定部的滑模控制律。

具体的，针对动力学模型中的不确定部，引入滑模趋近律，结合李雅普诺夫稳定性原理设计针对不确定动力学的自适应滑模控制律u_r。

针对动力学模型中的不确定部，引入滑模趋近律如下：

结合李雅普诺夫稳定性原理，设计针对不确定动力学的自适应滑模控制律为：

其中，u_r为不确定部的滑模控制律，为柔性关节的弯曲角速度，M为对称正定惯量矩阵，δ₀、δ₁和δ₂为自适应律常数，s为引入的积分终端滑模面。

步骤S304，根据标称部的滑模控制律和不确定部的滑模控制律，确定动力学模型的滑模控制律。

具体的，确定动力学模型的滑模控制律为：

u＝u_r+u_c

步骤S305，根据动力学模型的滑模控制律，控制柔性手指结构。

具体的，在实际应用过程中，控制系统以微处理器为控制中心，通过编程实现自适应积分终端滑模控制算法来对输入输出数据进行处理，抑制不确定性和未建模动力学所产生的外部干扰，而且通过所设计的自适应律消除控制律中所需要的约束信息。同时将功率放大模块、模数转换模块和滤波模块相结合，形成一个完整的闭环控制系统。首先给微处理器一个预期的运动轨迹作为输入，然后利用控制算法计算出控制输出，并利用功率放大模块调节外部驱动，在此控制过程中，微处理器通过对4D打印构件中传感结构输出的信号进行分析，可以实现对柔性手指结构弯曲角度的跟踪，实现精准控制柔性手指结构的目的。

图5为控制柔性手指结构的两个柔性关节弯曲到固定值的仿真图。图6是控制柔性手指结构的两个柔性关节动态跟踪仿真图。

将自适应积分终端滑模控制的思想应用于具有4D打印构件的柔性手指结构中，并通过数值仿真验证了所述自适应积分终端滑模控制律的有效性。图5中给定两个柔性关节的期望弯曲角度为10°，其中长划线表示期望弯曲角度，点线和短划线分别表示两个柔性关节的弯曲角度。由仿真结果可以看出，系统的调整时间为3.06s，最大超调量为2.1％，最终两个柔性关节都能成功地跟踪到目标轨迹。图6中进一步的控制柔性关节跟踪余弦函数的动态轨迹。图6中给定期望跟踪轨迹为y＝10cosx。从图6中可以分析得到柔性手指结构的两个柔性关节均在2.8s左右跟踪到期望目标轨迹，最终跟踪误差收敛到0附近的一个有限小范围内。数值仿真研究的结果表明了基于自适应积分终端滑模控制算法的柔性手指结构中柔性关节的轨迹跟踪控制方法的有效性。

图7为控制手指结构柔性关节精确弯曲的实验示意图。通过自适应积分终端滑模控制器不断修正给定期望弯曲角度值与自传感反馈的角度信息之间的差值，实现对柔性关节弯曲角度的调控。图8为柔性手指结构中柔性关节对外部传感输入弯曲角度的轨迹跟踪控制。其中外部传感信号来源于佩戴在人手关节的柔性传感器。通过自适应积分终端滑模控制器最终实现柔性关节对人手关节弯曲角度的动态跟踪。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例的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。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种柔性手指结构的控制方法，其特征在于，包括：

建立柔性手指结构的动力学模型，所述动力学模型包括标称部和不确定部；

将积分终端滑模面引入到所述标称部，确定所述标称部的滑模控制律；

将滑模趋近律引入到所述不确定部，确定所述不确定部的滑模控制律；

根据所述标称部的滑模控制律和所述不确定部的滑模控制律，确定所述动力学模型的滑模控制律；

根据所述动力学模型的滑模控制律，控制所述柔性手指结构；

所述标称部的滑模控制律的确定公式为：

其中，u_c为所述标称部的滑模控制律，为柔性关节的弯曲角速度，/>为柔性关节的弯曲角加速度，/>和/>为系统的标称动力学参数，e为轨迹跟踪误差，α和β为设计的两个滑模参数，q₁和q₂为两个正奇数，且满足q₂＞q₁＞0。

2.根据权利要求1所述的柔性手指结构的控制方法，其特征在于，建立柔性手指结构的动力学模型，所述动力学模型包括标称部和不确定部，包括：

根据欧拉-拉格朗日方程，建立柔性手指结构的动力学模型；

所述动力学模型为：

其中，为柔性关节的弯曲角速度，/>为柔性关节的弯曲角加速度，M为对称正定惯量矩阵，C为向心力矩阵和科里奥利力矩阵，G为重力矩阵，u为作用在柔性关节上的控制输入，d为外部干扰矩阵；

将所述动力学模型分为标称部和不确定部；

其中， 和/>为系统的标称动力学参数，/>和/>

为系统的不确定性参数。