4D打印构件、柔性手指结构及控制方法技术

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。控。控。

【技术实现步骤摘要】
4D打印构件、柔性手指结构及控制方法


[0001]本申请属于4D打印
，尤其涉及一种4D打印构件、柔性手指结构及控制方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路
r/>[0005]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。
[0006]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；
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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：
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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：
[0019]根据欧拉
‑
拉格朗日方程，建立柔性手指结构的动力学模型；
[0020]所述动力学模型为：
[0021][0022]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；
[0023]将所述动力学模型分为标称部和不确定部；
[0024][0025][0026][0027][0028]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。
[0029]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：
[0030][0031]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。
[0032]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：
[0033][0034][0035][0036][0037]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。
[0038]本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
[0039]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
[0040]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。
[0041]图1是本申请一实施例提供的4D打印构件的结构示意图；
[0042]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；
[0043]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；
[0044]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；
[0045]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；
[0046]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；
[0047]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；
[0048]图8是本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种4D打印构件，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的4D打印构件，其特征在于，所述致动层的第二侧面上的沟槽呈网格状设置。3.根据权利要求1所述的4D打印构件，其特征在于，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。4.一种柔性手指结构，其特征在于，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打印构件均为权利要求1
‑
3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。5.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：温银堂，么海莹，周子翔，张玉燕，罗小元，梁波，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：