[發(fā)明專利]面向軌道清理的空間仿生柔性操控臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910048978.8
• 申請(qǐng)日: 2019-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109850189B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 敬忠良;賈鶴;潘漢;喬凌峰;陳務(wù)軍;楊天洋;劉物己;楊永勝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B64G4/00
• 分類號(hào): B64G4/00
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發(fā)明提供了一種面向軌道清理的空間仿生柔性操控臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方法，通過(guò)PC上位機(jī)與MCU下位機(jī)進(jìn)行通信控制，模擬空間在軌服務(wù)的柔性臂通信；采用MOS管進(jìn)行電路開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換和SMA驅(qū)動(dòng)電路，以設(shè)定時(shí)間內(nèi)對(duì)柔性臂進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)；通過(guò)設(shè)計(jì)仿生柔性操控臂驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)SMA收縮與拉伸，完成柔性操控臂的運(yùn)動(dòng)控制與柔性操作，為柔性臂結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)及其柔性操控在空間在軌服務(wù)與維護(hù)中的應(yīng)用提供了可靠的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。使用直流穩(wěn)壓電源供電，使SMA驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定。以解決傳統(tǒng)空間關(guān)節(jié)機(jī)械臂和桁架蛇形臂難以滿足受限區(qū)域、外界沖擊下的非合作目標(biāo)精細(xì)柔性操控需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及柔性機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，具體地，涉及一種面向軌道清理的空間仿生柔性操控臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

柔性臂機(jī)器人由于其高自由度、低耗、質(zhì)輕等特點(diǎn)，在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，柔性機(jī)械臂是柔性機(jī)器人中能夠自身彎曲抓取物體的連續(xù)型仿生機(jī)器人，通常仿生靈感來(lái)源于蛇類、章魚(yú)以及象鼻或動(dòng)物觸須等結(jié)構(gòu)，在醫(yī)療、探測(cè)、救援等領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)際上對(duì)于柔性臂機(jī)器人的大量研究始于20世紀(jì)80年代，1983年的NASA報(bào)告當(dāng)中首次提出應(yīng)當(dāng)建立一種可以在空間中自由運(yùn)動(dòng)的柔性臂機(jī)器人，以適應(yīng)在軌維修、空間清理以及物資補(bǔ)給等需求。基于上述概念，NASA給出一個(gè)名為T(mén)elepresence ServicerUnit的概念設(shè)計(jì)。目前關(guān)于柔性機(jī)器人的大部分研究還處于理論和實(shí)驗(yàn)階段，只有少數(shù)的柔性臂機(jī)器人可以應(yīng)用到實(shí)際生活當(dāng)中。

柔性機(jī)器人作為一種新型的仿生機(jī)器人，有著廣闊的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景，受到越來(lái)越多的研究者們的重視，而其中的柔性驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成為了柔性機(jī)器人在各類環(huán)境下運(yùn)動(dòng)及工作的關(guān)鍵，同樣受到了廣泛的關(guān)注。作為仿生機(jī)器人，柔性機(jī)器人是模仿大自然中動(dòng)物的肌肉或骨骼結(jié)構(gòu)來(lái)建立其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)的原理不同，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方式可以分為物理驅(qū)動(dòng)和化學(xué)驅(qū)動(dòng)。柔性機(jī)器人的物理驅(qū)動(dòng)也稱為機(jī)械驅(qū)動(dòng)，其物理過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)與傳統(tǒng)物理驅(qū)動(dòng)方式類似。柔性機(jī)器人的物理驅(qū)動(dòng)器主要包括：?jiǎn)?dòng)驅(qū)動(dòng)器、電活性聚合物(EAP)或者形狀記憶合金(SMA)絲、彈簧等。柔性機(jī)器人的化學(xué)驅(qū)動(dòng)驅(qū)使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方法是利用其化學(xué)反應(yīng)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能從而帶動(dòng)柔性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。另外，按照驅(qū)動(dòng)器材料的工作機(jī)理來(lái)區(qū)分，柔性驅(qū)動(dòng)器又可分為：壓力驅(qū)動(dòng)器、電活性聚合物驅(qū)動(dòng)器、類肌腱驅(qū)動(dòng)器。其中，壓力驅(qū)動(dòng)器是利用輔助設(shè)備裝置在復(fù)合結(jié)構(gòu)的空腔中產(chǎn)生壓力，驅(qū)使復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲或變形；電活性聚合物是通過(guò)利用外界磁場(chǎng)分布的變化來(lái)驅(qū)使聚合物發(fā)生彎曲變形，EAP的這種工作原理可以使其獨(dú)立作為柔性驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的彎曲變形；類肌腱驅(qū)動(dòng)器利用其驅(qū)動(dòng)材料的收縮帶動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)器的工作原理是采用細(xì)長(zhǎng)的繩索類驅(qū)動(dòng)材料或傳動(dòng)設(shè)備與柔性結(jié)構(gòu)組合。

柔性驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)作為柔性機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，決定柔性機(jī)器人的工作機(jī)理和使用環(huán)境。近年來(lái)，雖然新型智能材料的興起涌現(xiàn)以及3D打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展使得柔性驅(qū)動(dòng)器的控制更加精準(zhǔn)、制作更加方便，其應(yīng)用研究得到了很大程度的進(jìn)步發(fā)展，但是現(xiàn)有材料性能的穩(wěn)定性還不能徹底滿足柔性驅(qū)動(dòng)器的變形要求，其驅(qū)動(dòng)還有很大的改進(jìn)空間。目前，柔性機(jī)器人一般采用氣動(dòng)、繩索、EAP或SMA絲、彈簧等材料作為其主要的驅(qū)動(dòng)方式。

在柔性臂領(lǐng)域，大部分研究工作的控制方法比較初步，一般都是使用開(kāi)環(huán)的方式，人為設(shè)置運(yùn)動(dòng)指令來(lái)控制柔性臂的運(yùn)動(dòng)。在柔性機(jī)器人的各大類型中，連續(xù)型機(jī)器人的控制方法研究相對(duì)比較容易，這是由于連續(xù)型機(jī)器人的模型比較容易建立，有不少學(xué)者成功將傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)手段應(yīng)用到這類機(jī)器人中。隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器人的智能控制越來(lái)越引人關(guān)注，基于學(xué)習(xí)的控制方法逐漸興起，也開(kāi)始嘗試應(yīng)用于柔性臂中。因此到目前為止，柔性臂的運(yùn)動(dòng)控制研究大致可分為兩大類：基于模型的方法與基于學(xué)習(xí)的無(wú)模型方法。

基于模型的運(yùn)動(dòng)控制器目前主要在連續(xù)性柔性臂中被廣泛研究，大部分只是基于模型的方法依據(jù)等曲率假設(shè)，因?yàn)閺?fù)雜的模型計(jì)算量太大了，不利于實(shí)際應(yīng)用。雖然等曲率假設(shè)比較簡(jiǎn)單且忽略了許多條件，但它目前對(duì)于均勻低質(zhì)量柔性臂來(lái)說(shuō)，是最可靠的一種運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的方法。針對(duì)這類柔性臂的運(yùn)動(dòng)控制，針對(duì)構(gòu)型空間的反饋控制器是非常重要，它對(duì)于柔性臂的滯后性質(zhì)等是一個(gè)必要的控制精度補(bǔ)償手段。