CN115091439B - 一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法 - Google Patents
一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115091439B CN115091439B CN202210899171.7A CN202210899171A CN115091439B CN 115091439 B CN115091439 B CN 115091439B CN 202210899171 A CN202210899171 A CN 202210899171A CN 115091439 B CN115091439 B CN 115091439B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mechanical arm
- voltage
- soft
- module
- control
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229920002595 Dielectric elastomer Polymers 0.000 title claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 4
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 4
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 claims description 3
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 3
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 3
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 3
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 229920001342 Bakelite® Polymers 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000004637 bakelite Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000012781 shape memory material Substances 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/0009—Constructional details, e.g. manipulator supports, bases
- B25J9/0015—Flexure members, i.e. parts of manipulators having a narrowed section allowing articulation by flexion
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J13/00—Controls for manipulators
- B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
- B25J19/02—Sensing devices
- B25J19/04—Viewing devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/06—Programme-controlled manipulators characterised by multi-articulated arms
- B25J9/065—Snake robots
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
- B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
- B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及其控制方法，属于软体机器人领域。所述的软体机械臂系统包括安装框架、上位机、相机、高压模块、信号采集模块以及基于介电弹性体的模块化软体机械臂。所述的相机用于检测机械臂的位姿，所述的高压模块包括电压发生模块、电压放大模块以及供电模块，用于提供机械臂的驱动电压。所述的信号采集模块用于检测机械臂的驱动电压。所述的基于介电弹性体的模块化软体机械臂由数个软体单元串联组成，每一个软体单元都可以在驱动电压下实现轴向伸长和任意方向弯曲，因此机械臂具有超冗余自由度，结构轻巧，运动灵活。本发明可以对软体机械臂进行实时姿态控制，操作简单，鲁棒性强，控制效果好。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人领域，具有涉及一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法。
背景技术
传统的刚性机械臂必须依靠传感器或监控设施获取外部输入力或扭矩，进而调整机械臂自身的姿态，以避免碰撞，这要求刚性机械臂具有快速实时的系统响应以及高精度控制系统，无疑增加了制造难度和成本。相比之下，软体机械臂可以通过改变自身形状以适应非结构环境，具有良好的适应性、生物相容性以及运动灵活性，在医疗保健、侦查搜救、人机交互等领域得到了广泛的应用。
在驱动方法上，目前存在的软体机械臂的驱动方式主要有线缆驱动、气体驱动动和形状记忆材料驱动，都存在一定的局限性。如线缆驱动的机械臂需要大量的驱动电机，还需要进行复杂的线缆路径设计，如导向滑轮、轴承等，系统成本高，维修困难，可靠性低；气体驱动需要大量的气阀等设备，难以实现对气体的精确控制；形状记忆材料大都通过温度的变化进行调控，响应速度较慢。基于介电弹性体的机械臂驱动应变大，能量密度大，驱动速度高，结构简单，具有十分广阔的应用前景。
在制造方法上，传统软体机械臂一体成型的制造技术，一方面难以根据实际的应用场景灵活改变机械臂的长度，另一方面若机械臂某处出现损坏，往往需要对整个的机械臂进行重新制做，造成极大的浪费。
在控制方法上，由于软体机械臂固有的强非线性，往往难以实现对机械臂姿态的精确控制。现有的技术中，存在针对气动机械臂的控制方法，但是针对基于介电弹性体机械臂的控制方法的研究还不够完善，需要进一步提出一种系统化的控制方法。
发明内容
本发明为解决传统的软体机械臂存在的上述问题，本发明提供了一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法，其技术方案如下：
本发明的第一个方面，提供了一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统，所述的软体机械臂系统包括安装框架、上位机、相机、高压模块、信号采集模块以及模块化软体机械臂；
所述的安装框架用于模块化软体机械臂的安装和定位；所述的相机与上位机连接，一对相机分别固定在安装框架的侧板和背板上，用于对模块化软体机械臂的位姿进行实时检测；所述的高压模块的控制端与上位机相连，高压模块的高压输出端与模块化软体机械臂相连，用于提供驱动电压；所述的信号采集模块与高压模块的高压输出端相连，用于采集高压模块输出的驱动电压并反馈给上位机；
所述的模块化软体机械臂由数个软体单元串联组成，每一个软体单元由三个驱动单元并联组成，当每一个驱动单元的驱动电压都不相同时，软体单元产生弯曲；当每一个驱动单元的驱动电压相同时，软体单元沿轴向伸长。
作为本发明的优选，所述的高压模块包括电压发生模块、电压放大模块以及供电模块；所述的电压发生模块与上位机相连，包括控制器以及电压输出板卡，用于产生低压模拟信号，控制器和电压输出板卡的数量与模块化软体机械臂中软体单元个数成正比，每一个软体单元需要三个电压通道；电压放大模块用于放大低压产生高压进而驱动机械臂；供电模块用于对电压放大模块供电。
作为本发明的优选，所述的模块化软体机械臂中的数个软体单元通过可拆卸连接方式串联，所述的可拆卸连接方式包括卡扣连接、螺栓螺母连接、磁吸连接、胶带粘接。
作为本发明的优选，所述的软体单元包括柱形支撑框架、弹性薄膜以及若干柔性电极；
所述的柱形支撑框架是由顶部支撑梁、底部支撑梁、以及连接顶部支撑梁和底部支撑梁的三个中部支撑梁构成的一体化结构，所述的中部支撑梁上设有狭长镂空区，相邻的两个中部支撑梁之间的距离相等；所述的弹性薄膜以双向预拉伸状态贴附在支撑框架的外壁或内壁上；所述的柔性电极位于支撑框架中相邻的两个中部支撑梁之间，贴附在弹性薄膜的内外表面上；所述的柔性电极与高压模块相连；
所述的弹性薄膜和位于其内外两侧的一组柔性电极组成一个驱动单元，软体机器人由三个驱动单元并联组成；当对驱动单元两侧的柔性电极施加高压后，柔性电极所处区域的弹性薄膜在厚度方向被压缩，面积向外延伸，使驱动单元的高度增加。
作为本发明的优选，所述的支撑框架的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯
作为本发明的优选，所述的弹性薄膜为丙烯酸介电弹性体薄膜。
作为本发明的优选，所述的柔性电极为碳膏，所述的碳膏均匀涂覆在位于每一对相邻的中部支撑梁之间的弹性薄膜的内外表面上。
本发明的第二个方面，提供了一种上述模块化软体机械臂系统的控制方法，包括以下步骤：
a.建立控制模型
对模块化软体机械臂进行系统辨识，建立单个驱动单元的控制模型，得到整个软体机械臂从驱动空间到任务空间之间的映射关系；
b.生成驱动电压
根据机械臂的预设姿态和控制模型，上位机计算机械臂所需要的控制信号，将控制信号发送给电压发生模块得到低压模拟量，再通过电压放大模块进行信号放大，以得到软体机械臂的驱动电压；
c.闭环反馈控制
上位机读取相机检测到的软体机械臂姿态，通过图像识别实时计算姿态误差；若误差不满足要求，则通过反馈控制算法，生成新的控制信号，返回步骤b，得到机械臂的驱动电压；再次检测软体机械臂姿态并上传至上位机，直到软体机械的姿态误差达到控制要求。
进一步地，所述的反馈控制算法包括PID控制、非线性控制、神经网络控制、模糊控制、最优控制、迭代学习控制、自适应控制。
本发明的有益效果为：
本发明的介电弹性体驱动单元结构新颖，具有驱动应变大、能量密度大、响应速度快以及无噪声的优点，模块化软体机械臂由数个软体单元串联组成，具有超冗余自由度，结构轻巧，运动灵活。软体单元之间可以通过可拆卸的方式进行连接，可以根据实际的应用场合增减机械臂中软体单元的个数，也便于对机械臂中受损的软体单元进行维修和更换。本发明系统性地提出了基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统的控制方法，可以实现机械臂的实时姿态控制，操作简单，鲁棒性强，控制效果好。
附图说明
图1是本发明的基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统的示意图；
图2是本发明的基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统的俯视图；
图3是本发明的软体机械臂中软体单元的材料组成示意图；
图4是本发明的软体机械臂中软体单元的三维结构示意图；
图5是本发明实施例示出的驱动单元的剖面结构示意图；
图6是本发明的基于介电弹性体的模块化软体机械臂的控制框图。
附图标记说明：1-上位机；2-相机；301-侧板；302-背板；303-下板；304-上板；305-铝型材；4-模块化软体机械臂；401-软体单元；402-柔性电极；403-弹性薄膜；404-支撑框架；405-铝箔；5-供电模块；6-电压放大模块；7-电压发生模块；701-电压输出板卡；702-控制器；8-信号采集模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
结合图1和图2，一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统，包括安装框架、上位机1、相机2、高压模块、信号采集模块8以及基于介电弹性体的模块化软体机械臂4。
所述的安装框架包括铝型材架305和四块胶木板，胶木板分别固定在铝型材框架的上下两面，侧面以及背面，分别标记为上板304、下板303、侧板301以及背板302，用于模块化软体机械臂的安装和定位。上板304的中心设有直径为50mm的走线孔，导线通过穿过走线孔连接高压模块和机械臂4。
所述的相机2用于对机械臂的位姿进行实时检测，两个相机分别固定在安装框架的侧板301和背板302上。相机通过USB与上位机相连，频率为60Hz，将检测到的机械臂姿态实时上传到上位机进行图像识别和姿态误差分析。
所述的高压模块包括电压发生模块7、电压放大模块6以及供电模块5，电压发生模块与上位机相连，包括控制器702以及电压输出板卡701，用于产生低压模拟信号(一般不超过10V)，控制器和电压输出板卡的数量随着模块化软体机械臂中软体单元个数的增加而增加，每一个软体单元需要三个电压通道。电压放大模块6用于放大低压产生高压(超过4KV)进而驱动机械臂，放大倍数为2000，供电模块5用于对电压放大模块6进行24V供电。
所述的信号采集模块8用于对机械臂的实际驱动电压进行实时监测，与上位机1相连。
所述的上位机的功能包括：给电压发生模块7提供控制信号；实时显示相机2检测到的机械臂姿态并通过图像识别算法分析姿态误差；执行反馈控制算法，在线修改控制信号。
所述的模块化软体机械臂4由数个软体单元401串联组成，具有超冗余自由度，结构轻巧，运动灵活。软体单元401之间通过可拆卸的方式进行连接，包括但不限于卡扣连接、螺栓螺母连接、磁吸连接、胶带粘接等，可以根据实际的应用场合增减机械臂中软体单元的个数，也便于对机械臂中受损的软体单元进行维修和更换。
在本发明的一项具体实施中，所述的软体单元结构如图4所示，包括柱形支撑框架404、弹性薄膜403以及三个柔性电极402；所述的柱形支撑框架404是由顶部支撑梁、底部支撑梁、以及连接顶部支撑梁和底部支撑梁的中部支撑梁构成的一体化结构，所述的中部支撑梁上设有狭长镂空区，相邻的两个中部支撑梁之间的距离相等；所述的弹性薄膜403以双向预拉伸状态贴附在支撑框架404的外壁或内壁上；所述的柔性电极402安装在支撑框架404中相邻的两个中部支撑梁之间，贴附在弹性薄膜403的内外表面上。
弹性薄膜403和涂覆其内外两侧的一组柔性电极402构成一个驱动单元，每一个软体单元在结构上可视为由三个驱动单元并联组成，，相邻的两个驱动单元之间的间距相等。每个驱动单元的剖面结构示意图如图5所示(仅用于展示不同结构之间的位置关系，绘图比例不代表实物比例)，弹性薄膜403紧密粘附在支撑框架404上，从高压模块正极延伸的导线通过铝箔405粘贴在每一个软体单元的支撑框架顶部支撑梁的内侧(此处铝箔实际粘附在支撑框架和弹性薄膜的复合结构内侧，但是弹性薄膜的厚度可以忽略不计，真正起固定作用的是支撑框架)，与内侧的柔性电极通过涂抹碳膏实现连通；从高压模块负极延伸的导线通过铝箔405粘贴在支撑框架底部支撑梁的外侧，与外侧的柔性电极通过涂抹碳膏实现连通。
每一个软体单元的工作原理为：当软体单元中某个驱动单元的两端施加高压后，该驱动单元内的弹性薄膜在厚度方向被压缩，面积向外延伸，使驱动单元的高度增加。每一个软体单元具有三个自由度：当软体单元中的三个驱动单元的驱动电压都不相同时，机器人可以产生任意方向的弯曲；三个驱动单元的驱动电压相同时，机器人将轴向伸长。
基于每一个软体单元的工作原理，将数个软体单元401串联后得到的模块化软体机械臂可以实现轴向伸长和任意方向弯曲。
如图3所示为将软体单元展开后的结构，其中，支撑框架404由0.188mm厚度的透明聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)裁剪而成，可分为电极区(大面积镂空部分)、镂空区(两个电极区之间的狭长镂空部分)和粘接区(支撑框架的两侧)。弹性薄膜403为丙烯酸介电弹性体薄膜VHB4910，经过双向预拉伸之后粘附在弹性框架404上，本实施例中，拉伸率为300％×300％。柔性电极402为碳膏，均匀涂覆在位于电极区内的弹性薄膜403的内外表面。将支撑框架404两侧的粘接区粘合起来之后，即可形成图4所示的软体单元。
本发明中，基于上述的基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统，还提供一种控制方法，包括以下步骤：
a.建立控制模型
对软体机械臂进行系统辨识，根据介电弹性体的机电耦合机理和动力学特性，建立单个驱动单元的控制模型，得到整个软体机械臂从驱动空间到任务空间之间的映射关系；
b.生成驱动电压
根据机械臂的预设姿态和控制模型，计算机械臂所需要的控制信号，将控制信号发送给电压发生模块7得到低压模拟量，再通过电压放大模块6进行信号放大，以得到软体机械臂的驱动电压；
c.闭环反馈控制
建立软体机械臂系统的闭环反馈控制算法，可以采用的控制方法包括PID控制、非线性控制、神经网络控制、模糊控制、最优控制、迭代学习控制、自适应控制等等。上位机1读取相机2检测到的机械臂姿态，通过图像识别实时计算姿态误差。若误差不满足要求，则通过反馈控制算法，重新生成控制信号，进入步骤b，得到机械臂的驱动电压；再次检测软体机械臂的姿态并上传至上位机重新计算姿态误差，直到软体机械的姿态误差达到控制要求。
参考图6所示的系统的控制框图，本发明的基于介电弹性体的并联软体机器人的工作原理为：首先通过上位机中的用户操作界面，用户自主设定机械臂的目标姿态，通过运动控制模型计算得到相应的数字控制信号，将数字控制信号传递给电压发生模块，转换成0-10V的模拟电压输出。经过放大增益为2000的电压放大模块，连接到机械臂上不同的软体单元。电压模块需要专门的供电模块进行24V供电，另外，设有信号采集模块实时检测电压放大模块的输出电压，也即软体机械臂的实际驱动电压，在上位机中实时显示，用于故障诊断与维修。软体机械臂通过背板和侧板的两个工业相机检测其位姿，相机的工作频率为60Hz，经过图像识别算法进行姿态误差分析，通过反馈控制算法，得到电压控制量。将新的控制量实时传递给电压发生模块，再经过电压放大模块放大后驱动机械臂，这样就构成了基于介电弹性体的模块化软体机械臂的闭环控制系统。
综上所述，本发明的介电弹性体驱动单元结构新颖，具有驱动应变大、能量密度大、响应速度快以及无噪声的优点，模块化软体机械臂由数个软体单元串联组成，具有超冗余自由度，结构轻巧，运动灵活。软体单元之间可以通过可拆卸的方式进行连接，可以根据实际的应用场合增减机械臂中软体单元的个数，也便于对机械臂中受损的软体单元进行维修和更换。本发明系统性地提出了基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统的控制方法，可以实现机械臂的实时姿态控制，操作简单，鲁棒性强，控制效果好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统，其特征在于，所述的软体机械臂系统包括安装框架、上位机（1）、相机（2）、高压模块、信号采集模块（8）以及模块化软体机械臂（4）；
所述的安装框架用于模块化软体机械臂（4）的安装和定位；所述的相机与上位机连接，一对相机（2）分别固定在安装框架的侧板和背板上，用于对模块化软体机械臂的位姿进行实时检测；所述的高压模块的控制端与上位机相连，高压模块的高压输出端与模块化软体机械臂相连，用于提供驱动电压；所述的信号采集模块（8）与高压模块的高压输出端相连，用于采集高压模块输出的驱动电压并反馈给上位机（1）；
所述的模块化软体机械臂（4）由数个软体单元（401）串联组成，每一个软体单元由三个驱动单元并联组成，当每一个驱动单元的驱动电压都不相同时，软体单元产生弯曲；当每一个驱动单元的驱动电压相同时，软体单元沿轴向伸长；
所述的软体单元包括柱形支撑框架（404）、弹性薄膜（403）以及若干柔性电极（402）；
所述的柱形支撑框架是由顶部支撑梁、底部支撑梁、以及连接顶部支撑梁和底部支撑梁的三个中部支撑梁构成的一体化结构，所述的中部支撑梁上设有狭长镂空区，相邻的两个中部支撑梁之间的距离相等；所述的弹性薄膜以双向预拉伸状态贴附在柱形支撑框架的外壁或内壁上；所述的柔性电极位于柱形支撑框架中相邻的两个中部支撑梁之间，贴附在弹性薄膜的内外表面上；所述的柔性电极与高压模块相连；
所述的弹性薄膜和位于其内外两侧的一组柔性电极组成一个驱动单元，软体机器人由三个驱动单元并联组成；当对驱动单元两侧的柔性电极施加高压后，柔性电极所处区域的弹性薄膜在厚度方向被压缩，面积向外延伸，使驱动单元的高度增加。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统，其特征在于，所述的高压模块包括电压发生模块（7）、电压放大模块（6）以及供电模块（5）；所述的电压发生模块与上位机相连，包括控制器（702）以及电压输出板卡（701），用于产生低压模拟信号，控制器和电压输出板卡的数量与模块化软体机械臂中软体单元个数成正比，每一个软体单元需要三个电压通道；电压放大模块（6）用于放大低压产生高压进而驱动机械臂；供电模块（5）用于对电压放大模块（6）供电。
3.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统，其特征在于，所述的模块化软体机械臂（4）中的数个软体单元（401）通过可拆卸连接方式串联，所述的可拆卸连接方式包括卡扣连接、螺栓螺母连接、磁吸连接、胶带粘接。
4.根据权利要求1所述的基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统，其特征在于，所述的柱形支撑框架的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述的弹性薄膜为丙烯酸介电弹性体薄膜；所述的柔性电极为碳膏，所述的碳膏均匀涂覆在位于每一对相邻的中部支撑梁之间的弹性薄膜的内外表面上。
5. 一种基于权利要求2所述的模块化软体机械臂系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 建立控制模型
对模块化软体机械臂（4）进行系统辨识，建立单个驱动单元的控制模型，得到整个软体机械臂从驱动空间到任务空间之间的映射关系；
b. 生成驱动电压
根据机械臂的预设姿态和控制模型，上位机（1）计算机械臂所需要的控制信号，将控制信号发送给电压发生模块（7）得到低压模拟量，再通过电压放大模块（6）进行信号放大，以得到软体机械臂的驱动电压；
c. 闭环反馈控制
上位机（1）读取相机（2）检测到的软体机械臂姿态，通过图像识别实时计算姿态误差；若误差不满足要求，则通过反馈控制算法，生成新的控制信号，返回步骤b，得到机械臂的驱动电压；再次检测软体机械臂姿态并上传至上位机，直到软体机械的姿态误差达到控制要求。
6.根据权利要求5所述的模块化软体机械臂系统的控制方法，其特征在于，所述的反馈控制算法包括PID控制、非线性控制、神经网络控制、模糊控制、最优控制、迭代学习控制、自适应控制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210899171.7A CN115091439B (zh) | 2022-07-28 | 2022-07-28 | 一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210899171.7A CN115091439B (zh) | 2022-07-28 | 2022-07-28 | 一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115091439A CN115091439A (zh) | 2022-09-23 |
| CN115091439B true CN115091439B (zh) | 2024-03-29 |
Family
ID=83300772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210899171.7A Active CN115091439B (zh) | 2022-07-28 | 2022-07-28 | 一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115091439B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115946787A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-04-11 | 燕山大学 | 一种基于4d打印的仿海星软体机器人及其控制方法 |
| CN115890734B (zh) * | 2022-12-28 | 2024-05-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于组合式梁片的机械臂 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102837307A (zh) * | 2012-09-13 | 2012-12-26 | 南京航空航天大学 | 基于多自由度柔性运动单元的水陆两栖蛇形机器人 |
| KR101533920B1 (ko) * | 2014-04-14 | 2015-07-06 | 성균관대학교산학협력단 | 정전용량형 3축 힘 센서 |
| CN108516029A (zh) * | 2018-04-02 | 2018-09-11 | 上海交通大学 | 基于介电弹性体的自主滚动软体机器人 |
| CN111923022A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-11-13 | 杭州电子科技大学 | 一种无约束移动软体机器人及其驱动方法 |
| CN112518726A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-03-19 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种多模块柔性水蛇机器人 |
| 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 |
| CN113492394A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-12 | 中南大学 | 一种基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人 |
| CN114274162A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-04-05 | 华中科技大学 | 一种介电弹性体驱动器、柔性足和仿海星软体机器人 |
| CN114367966A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-04-19 | 苏州大学 | 基于介电弹性体最小能量结构的机械臂 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11597101B2 (en) * | 2018-12-17 | 2023-03-07 | Purdue Research Foundation | 3D-architected soft machines with topologically encoded actuation |
-
2022
- 2022-07-28 CN CN202210899171.7A patent/CN115091439B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102837307A (zh) * | 2012-09-13 | 2012-12-26 | 南京航空航天大学 | 基于多自由度柔性运动单元的水陆两栖蛇形机器人 |
| KR101533920B1 (ko) * | 2014-04-14 | 2015-07-06 | 성균관대학교산학협력단 | 정전용량형 3축 힘 센서 |
| CN108516029A (zh) * | 2018-04-02 | 2018-09-11 | 上海交通大学 | 基于介电弹性体的自主滚动软体机器人 |
| CN111923022A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-11-13 | 杭州电子科技大学 | 一种无约束移动软体机器人及其驱动方法 |
| CN112518726A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-03-19 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种多模块柔性水蛇机器人 |
| 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 |
| CN113492394A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-12 | 中南大学 | 一种基于充气式介电弹性体驱动器的轮形滚动机器人 |
| CN114274162A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-04-05 | 华中科技大学 | 一种介电弹性体驱动器、柔性足和仿海星软体机器人 |
| CN114367966A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-04-19 | 苏州大学 | 基于介电弹性体最小能量结构的机械臂 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115091439A (zh) | 2022-09-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115091439B (zh) | 一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法 | |
| Luo et al. | Toward modular soft robotics: Proprioceptive curvature sensing and sliding-mode control of soft bidirectional bending modules | |
| Park et al. | Electrohydraulic actuator for a soft gripper | |
| Takagi et al. | Development of a rajiform swimming robot using ionic polymer artificial muscles | |
| Choi et al. | Biomimetic soft actuator: design, modeling, control, and applications | |
| CN107398926B (zh) | 一种基于末端视觉检测的柔性臂振动测量装置及方法 | |
| Rios et al. | Monolithic piezoelectric insect with resonance walking | |
| Bhat et al. | Precision force and position control of an ionic polymer metal composite | |
| CN102501242A (zh) | 一种三自由度柔性机械臂控制装置与方法 | |
| Germann et al. | Active connection mechanism for soft modular robots | |
| Fearing | Control of a micro-organism as a prototype micro-robot | |
| Debus et al. | Multi-channel vibrotactile display for teleoperated assembly | |
| Ji et al. | Design and closed loop control of a 3D printed soft actuator | |
| Shi et al. | Characterisation and control platform for pneumatically driven soft robots: Design and applications | |
| Benouhiba et al. | A multisegment electro-active polymer based milli-continuum soft robots | |
| Gong et al. | Untethered cable-driven soft actuators for quadruped robots | |
| CN111993462A (zh) | 一种基于sma驱动多段刚柔耦合的柔性机械臂 | |
| CN1773742A (zh) | 压电陶瓷驱动电源 | |
| Jamil et al. | Design of a novel sensing method for a pneumatic artificial muscle actuator-driven 2-Degrees of freedom parallel joint | |
| Sanders | Introducing AI into MEMS can lead us to brain-computer interfaces and super-human intelligence | |
| CN100387508C (zh) | 步进式平面全方位纳米移动平台及其控制系统 | |
| Choi et al. | Using a compliant wrist for a teleoperated robot | |
| Chen et al. | A soft, lightweight flipping robot with versatile motion capabilities for wall-climbing applications | |
| Kadokawa et al. | Development of a thin dielectric elastomer actuator with 3DOFs | |
| CN113108682A (zh) | 结合磁场的压电驱动器位移测量系统和测量方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |