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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。制效果好。制效果好。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决传统的软体机械臂存在的上述问题，本专利技术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：
[0007]本专利技术的第一个方面，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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]作为本专利技术的优选，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。
[0011]作为本专利技术的优选，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。
[0012]作为本专利技术的优选，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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]作为本专利技术的优选，所述的支撑框架的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯
[0016]作为本专利技术的优选，所述的弹性薄膜为丙烯酸介电弹性体薄膜。
[0017]作为本专利技术的优选，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。
[0018]本专利技术的第二个方面，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：
[0019]a.建立控制模型
[0020]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；
[0021]b.生成驱动电压
[0022]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；
[0023]c.闭环反馈控制
[0024]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。
[0025]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。
[0026]本专利技术的有益效果为：
[0027]本专利技术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。本专利技术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
[0028]图1是本专利技术的基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统的示意图；
[0029]图2是本专利技术的基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统的俯视图；
[0030]图3是本专利技术的软体机械臂中软体单元的材料组成示意图；
[0031]图4是本专利技术的软体机械臂中软体单元的三维结构示意图；
[0032]图5是本专利技术实施例示出的驱动单元的剖面结构示意图；
[0033]图6是本专利技术的基于介电弹性体的模块化软体机械臂的控制框图。
[0034]附图标记说明：1
‑
上位机；2
‑
相机；301
‑
侧板；302
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆豪健，方琴，孙丹颖，张敬禹，龚哲峰，王越，熊蓉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：