[發明專利]一種柔性機械臂及基于中樞模式發生器的控制方法

在審

• 申請號: 202010574139.2
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111730587A
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 陸強;田娟;馬振鵬
• 申請（專利權）人: 山東第一醫科大學（山東省醫學科學院）
• 主分類號: B25J9/08
• 分類號: B25J9/08;B25J9/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 陳曉敏

1.一種柔性機械臂，其特征在于，包括，

沿設定方向依次連接的多個柔性模塊，每個柔性模塊包括一個彈性外殼，彈性外殼的內腔中填充有工作媒介，每個柔性模塊的體積不變，所述彈性外殼包括兩個橫面，多個柔性模塊的延伸方向穿過所述橫面，兩個橫面之間通過縱面連接以形成封閉的彈性外殼；

相互耦合的多個中樞模式發生器，所述中樞模式發生器能夠單獨控制每個柔性模塊沿設定方向發生彈性形變，并使得橫面與縱面的面積成反比例變化，進而使得柔性機械臂的整體沿設定軌跡運動。

2.如權利要求1所述的柔性機械臂，其特征在于，還包括驅動機構，所述驅動機構能夠驅動彈性外殼中的橫面與縱面分別發生形變，最靠近驅動機構的柔性模塊為基座模塊，最遠離驅動機構的柔性模塊為末端模塊。

3.如權利要求2所述的柔性機械臂，其特征在于，所述驅動機構中纏繞有拉線，所述拉線的一端與驅動機構連接，另一端依次穿過多個柔性模塊，并與末端模塊固定。

4.如權利要求1所述的柔性機械臂，其特征在于,所述柔性模塊為長方體結構，不同柔性模塊中相對設置的兩個縱面分別組合形成背側面和腹側面，

所述中樞模式發生器的數量為三個，三個中樞模式發生器分別用于控制柔性機械臂中橫面、背側面和腹側面的形變，三個中樞模式發生器能夠相互耦合。

5.如權利要求1所述的柔性機械臂，其特征在于,所述柔性模塊中填充有液體工作介質。

6.一種基于中樞模式發生器的機械臂控制方法，用于實現權利要求1-5中任意一項所述的柔性機械臂的控制，其特征在于，包括以下步驟，

根據機械臂所受的內力與外力，建立機械臂的運動方程；

以三個中樞模式發生器相互耦合為條件，建立中樞模式發生器的控制模型；

利用中樞模式發生器的控制模型來控制機械臂中橫面以及相應縱面的運動，進而控制機械臂的運動。

7.如權利要求6述的基于中樞模式發生器的機械臂控制方法，其特征在于,所述機械臂的運動方程為：

F^m是機械臂產生的內力；F^g是垂直方向的力；F^w是因為工作媒介而引起的拉力；F^c是為了保持體積為常數而產生的內力；M是質量矩陣，q是位置向量。

8.如權利要求7所述的基于中樞模式發生器的機械臂控制方法，其特征在于,F^g＝(ρ_arm-ρ_medium)V_armg；

F^c＝Cp；

c_per＝1+10(2rv/ε)^-2/3；

c_tan＝1+10(xv/ε)^-1/2；

其中，M是質量矩陣，q是位置向量；ρ_arm是機械臂的密度，ρ_medium是機械臂工作媒介的密度，V_arm是整體機械臂的體積，g是重力加速度；p是所受壓力，C是位置矩陣；lrest是機械臂放松狀態下的長度，α是阻尼系數，k0是機械臂的工作常數，kmax是機械臂的最大工作常數值，a(t)是激活函數，l(t)是機械臂的工作長度；Fw力分解為平行方向力F_per和垂直方向的力；v_per是機械臂運動時平行方向的速度，v_tan是機械臂運動時垂直方向的速度，P_a是與v_per平行面上的映像面積，S_a是表面面積；r是半徑，x是長度，ε是粘度。

9.如權利要求8所述的基于中樞模式發生器的機械臂控制方法，其特征在于，每個中樞模式發生器控制模型的傳遞函數分別作為另外兩個中樞模式發生器控制模型的輸入，以此實現三個中樞模式發生器的耦合。

10.如權利要求9所述的基于中樞模式發生器的機械臂控制方法，其特征在于，所述中樞模式發生器的控制模型為：

其中，g(●)代表函數g(x)＝max(o,x).變量x₁,x₂和x₃代表膜電位；x₄,x₅和x₆表示神經元的適應特性的狀態量.參數e代表模型外部輸入；參數w和d代表神經元之間相互抑制的強度；參數Tr和Ta是時間常數；三個變量y₁,y₂和y₃模型的輸出。