[發明專利]一種螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法

有效

• 申請號: 201910538963.X
• 申請日: 2019-06-20
• 公開（公告）號: CN110276127B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 王學謙;張志遠;梁斌;王松濤;孟得山
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F17/11;G06F119/14
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

本發明提供一種螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法，包括如下步驟：S1、根據螺線型氣動軟體致動器輸入氣壓不同致動器對應的展開角度不同的現象，得到輸入氣壓P與致動器展開角度θ的關系；S2、從而通過控制輸入氣壓P實現螺線型氣動軟體致動器展開角度θ的控制。步驟S1中，得到輸入氣壓P與致動器展開角度θ的關系的方法包括如下步驟：S11、根據超彈性材料的性能特點，建立材料模型；S12、建立致動器靜力學模型。實驗結果表明，基于超彈性材料模型、幾何關系和虛功原理建立的螺線型致動器的靜力學模型是正確的，能夠較為準確的描述該驅動器輸入氣壓P與展開角度θ的關系，從而能較好地實現對螺線型氣動軟體致動器的精準控制。

技術領域

本發明涉及軟體機器人技術領域，尤其涉及氣驅動的軟體致動器的靜力學控制。

背景技術

氣動軟體致動器靜力學控制可通過氣動軟體致動器建模來實現。氣動軟體致動器建模方面，由于氣動軟體致動器致動過程中存在材料非線性、幾何非線性和約束非線性，導致氣動軟體致動器的數學模型難以建立。多數模型只是預測其變化趨勢而不能實現精確的控制。文獻中，常用的建模方法有：1)利用輸入氣壓產生的驅動力矩和硅橡膠材料產生的反力矩之間的平衡關系建模，這種方法雖然易于理解，但是模型求解困難，其中的積分運算無法得到解析解，且模型準確度不高；2)基于虛功原理和常曲率模型建模，這種方法建立的模型準確度較高，但是要求致動器符合常曲率假設和準確的幾何變形參數；3)另外還有研究者采用拉格朗日方程、Cosserat理論等方法建模，這些方法建立的模型精度較高，但是需要多次運算求取能量，公式冗長且推導復雜，難以進行實際應用。

因此，對于致動器不符合虛功原理和常曲率模型建的常曲率假設的氣動軟體致動器,目前還缺乏有效的建模方法和控制方法。比如對于螺線型氣動軟體致動器的控制，就存在著這樣的問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中的問題，提出一種螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法。

為解決上述技術問題，本發明提出一種螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法,其特征在于包括如下步驟：S1、根據螺線型氣動軟體致動器輸入氣壓不同致動器對應的展開角度不同的現象，得到輸入氣壓P與致動器展開角度θ的關系；S2、從而通過控制輸入氣壓P實現螺線型氣動軟體致動器展開角度θ的控制。

在本發明的一些實施例中，還包括以下技術特征：

步驟S1中，得到輸入氣壓P與致動器展開角度θ的關系的方法包括如下步驟：S11、根據超彈性材料的性能特點，建立材料模型；S12、建立致動器靜力學模型。

步驟S11中，采用Yeoh模型建立材料應力與應變之間的非線性關系，應變能密度函數模型為：

其中d_k是材料參數、J是材料變形后與變形前的體積比，對于不可壓縮材料，J＝1；n為應變能密度函數的階數；C_i為材料參數；I₁為應變張量的第1個不變量，即：

其中:λ₁、λ₂和λ₃分別為致動器軸向、徑向和周向主拉伸比。

步驟S1中，輸入氣壓P與致動器展開角度θ的關系為：

式中：V_a為氣腔內氣體所占體積，V_s為硅橡膠所占體積V_s；W為應變能密度；輸入氣壓P以標準大氣壓作為相對氣壓零點，P_a＝101.325KPa。

采用硅膠材料制作螺線型致動器的彈性基體時，使用二階Yeoh模型即可描述其材料屬性，則有