基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法，包括：建立动态线性化数据模型的步骤；使用无模型自适应控制器，通过伪偏导数估计算法计算得出当前时刻的伪偏导数的值的步骤；通过所述无模型自适应控制器计算出每一时刻的输入信号值，利用所述无模型自适应控制算法的输入和输出数据，实现对所述4D打印爬行机器人的执行装置进行步幅控制和行为控制的步骤。采用本发明专利技术，能够基于4D打印的软体爬行机器人的数据驱动控制，实现对双向爬行机器人的精确的行为控制和步幅控制。向爬行机器人的精确的行为控制和步幅控制。向爬行机器人的精确的行为控制和步幅控制。

【技术实现步骤摘要】
基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法及其系统


[0001]本专利技术涉及4D打印技术，尤其涉及基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法及其系统。

技术介绍

[0002]软体机器人由于理论上具有近乎无限的自由度、材料轻便、顺应性好等特性，近年来已成为人们越来越关注的研究领域。
[0003]通常来说，软体机器人与传统刚性机器人相比，它的材料更加柔软、顺应性更好、对环境的适应性更强。因而在复杂环境中，传统刚体机器人难以胜任的工作，可以采用软体机器人去完成任务。
[0004]4D打印技术是在3D打印技术的基础上增加了第四维度，即时间。基于智能材料可编程性的特点，通过3D打印的方式打印出三维物体，该物体在暴露的外界刺激下会发生形变。基于4D打印的双向爬行机器人通过合理的结构设计，可使得爬行机器人能够实现精确的步幅控制和行为控制。
[0005]如今，对于无模型自适应控制也有了较为完善的理论体系，并广泛应用到各种机械、刚性系统中，可以使得被控系统在只有部分模型，甚至没有模型的条件下对其进行精确控制。而对于复杂的非线性系统以及软体爬行机器人来说，建模需要材料的本构模型、动力学模型，因而设计起来非常困难。而无模型自适应控制可以很好的利用输入输出数据对软体爬行机器人进行精确控制，从而能够克服系统的未建模问题。
[0006]现有技术中，公开号为CN110523979A，名称为“一种基于4D打印技术的蜘蛛爬行机器人”的中国专利技术申请，公开了一种蜘蛛爬行机器人结构，其主体材料是记忆合金，使用3D打印技术制作仿生机械腿。其没有繁琐的机械结构，利用记忆合金的形状记忆功能可以实现推进、平衡、爬行的作用。但是没有办法通过外部刺激对其进行精确的步幅控制以及行为控制。
[0007]公开号为CN113927616A，名称为“一种软体爬行机器人及其控制方法”。的中国专利技术申请，公开了一种爬行软体机器人，其驱动原理是通过前端气动执行器，后端执行器和中心执行器。通过对以上三个执行器的充放气来实现软体机器人的爬行以及控制。其爬行方式依赖于结构设计和气囊结构设计，而并不是基于4D打印智能材料的变形机理实现的，因此仅能基于简单的控制原理实现软体机器人本体在管道内进行前、后移动的控制，并不能实现精确的动作控制。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法及其系统，能够基于4D打印的软体爬行机器人的数据驱动控制，实现对双向爬行机器人的精确的行为控制和步幅控制。
[0009]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法，包括：
[0011]建立动态线性化数据模型的步骤；
[0012]使用无模型自适应控制器，通过伪偏导数估计算法计算得出当前时刻的伪偏导数的值的步骤；
[0013]通过所述无模型自适应控制器计算出每一时刻的输入信号值，利用所述无模型自适应控制算法的输入和输出数据，实现对所述4D打印爬行机器人的执行装置进行步幅控制和行为控制的步骤。
[0014]其中，所述使用无模型自适应控制器，通过伪偏导数估计算法计算得出当前时刻的伪偏导数的值的步骤中，每一时刻的伪偏导数通过如下公式计算：
[0015][0016]其中，代表通过输入输出数据评估的当前时刻的伪偏导数；
[0017]为通过输入输出数据评估的上一采样时刻的伪偏导数；η为步长因子；μ为防止伪偏导数估计值变化过大；Δu(k
‑
1)为前两个时刻的输入差值；Δy(k)为当前时刻和前一时刻的输入差值。
[0018]较佳地，进一步包括防止伪偏导数陷入死区的重置算法：或者或者
[0019]其中，为通过输入输出数据评估的当前时刻的伪偏导数；代表初始时刻的伪偏导数；ε为一个足够小的正数。
[0020]其中，所述通过无模型自适应控制器计算出每一时刻的输入信号值：
[0021][0022]其中，u(k)为当前时刻的电压输入值；u(k
‑
1)为前一采样时刻的电压输入值；ρ为步长因子；λ的引入是防止输入变化过大；φ
c
(k)当前时刻的伪偏导数；y
*
(k+1)为下一时刻的期望输出值；y(k)当前时刻的输出值。
[0023]一种基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制系统，包括：系统搭建模块，行为控制模块和步幅控制模块；其中：
[0024]所述系统搭建模块，通过内置的采集电路将系统输入信息传递到内置的单片机中，在单片机中移植无模型自适应控制算法，通过计算，获得当前时刻的有效系统输出值；
[0025]所述行为控制模块，用于接收当前时刻的有效系统输出值，以控制所述双向爬行机器人实现前行动作和后退动作；
[0026]所述步幅控制模块，通过改变所述行为控制模块或/和其他行为控制模块的相对角度来实现步幅的改变。
[0027]其中，所述行为控制模块，具体用于控制第一执行装置或/和第二执行装置，用于实现第一执行装置实现前进动作或第二执行装置实现后退动作，还用于实现第一执行装置
与第二执行装置相互配合实现所述4D打印机器人的前进动作或/和后退动作。
[0028]一种基于4D打印技术的双向爬行机器人，包括第一执行装置1、支撑装置2和第二执行装置3；其中，所述第一执行装置1通过支撑装置2与所述第二执行装置3相连，所述第一执行装置1或/和第二执行装置3通过执行所述的无模型自适应控制方法实现对所述双向爬行机器人的前进动作、后退动作的控制和步幅控制。
[0029]其中，所述第一执行装置1进一步包括：第一主体模块13、第一驱动层模块12、第一传感器模块14和第一摩擦模块11；其中，所述第一驱动层模块12，设于所述第一主体模块13的下部，使所述第一驱动层模块12接触一平面；当第一驱动层模块12通入电压或电流后所述第一驱动层模块12产生热量，使得第一主体模块13受热产生向上产生弯曲形变；所述第一传感器模块14，设置于所述第一主体模块13的另一面；所述第一摩擦模块11，则设置在所述爬行机器人本体的最前端。
[0030]所述第二执行装置3，进一步包括：第二主体模块32、第二驱动层模块31、第二传感器模块33和第二摩擦模块34；其中：
[0031]所述第二驱动层模块31设置于第二主体模块32的上部；当通入电流后所述第二驱动层模块31产生热量，使得第二主体模块32受热产生向下的弯曲变形，将第二传感器模块33放置在第二主体模块32的下部，与一平面相接触；所述第二摩擦模块34，设置在所述爬行机器人的最末端，其所在部分的第二主体模块32向上稍弯曲，直到第二摩擦装置34脱离接触地面；使第二执行装置3的第二摩擦模块34的对地摩擦力大于第一执行装置1的第一驱动层模块12的对地摩擦力，或，使第二摩擦模块34的对地摩擦力小于第一摩擦模块11的对地摩擦力。
[0032]一种电子设备可读存储介质，所述电子设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法，其特征在于，包括：建立动态线性化数据模型的步骤；使用无模型自适应控制器，通过伪偏导数估计算法计算得出当前时刻的伪偏导数的值的步骤；通过所述无模型自适应控制器计算出每一时刻的输入信号值，利用所述无模型自适应控制算法的输入和输出数据，实现对所述4D打印爬行机器人的执行装置进行步幅控制和行为控制的步骤。2.根据权利要求1所述基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法，其特征在于，所述使用无模型自适应控制器，通过伪偏导数估计算法计算得出当前时刻的伪偏导数的值的步骤中，每一时刻的伪偏导数通过如下公式计算：其中，代表通过输入输出数据评估的当前时刻的伪偏导数；为通过输入输出数据评估的上一采样时刻的伪偏导数；η为步长因子；μ为防止伪偏导数估计值变化过大；Δu(k
‑
1)为前两个时刻的输入差值；Δy(k)为当前时刻和前一时刻的输入差值。3.根据权利要求2所述基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法，其特征在于，进一步包括防止伪偏导数陷入死区的重置算法：或者或者其中，为通过输入输出数据评估的当前时刻的伪偏导数；代表初始时刻的伪偏导数；ε为一个足够小的正数。4.根据权利要求1所述基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制方法，其特征在于，所述通过无模型自适应控制器计算出每一时刻的输入信号值：其中，u(k)为当前时刻的电压输入值；u(k
‑
1)为前一采样时刻的电压输入值；ρ为步长因子；λ的引入是防止输入变化过大；φ
c
(k)当前时刻的伪偏导数；y
*
(k+1)为下一时刻的期望输出值；y9k)当前时刻的输出值。5.一种基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制系统，其特征在于，包括：系统搭建模块，行为控制模块和步幅控制模块；其中：所述系统搭建模块，通过内置的采集电路将系统输入信息传递到内置的单片机中，在单片机中移植无模型自适应控制算法，通过计算，获得当前时刻的有效系统输出值；所述行为控制模块，用于接收当前时刻的有效系统输出值，以控制所述双向爬行机器人实现前行动作和后退动作；所述步幅控制模块，通过改变所述行为控制模块或/和其他行为控制模块的相对角度
来实现步幅的改变。6.根据权利要求5所述基于4D打印爬行机器人的无模型自适应控制系统，其特征在于，所述行为控制模块，具体用于控制第一执行装置或/和第二执行装置，用于实现第一执行装置实现前进动作或...

【专利技术属性】
技术研发人员：温银堂，董智超，贾幼驰，任智新，罗小元，张玉燕，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：