[發(fā)明專利]基于介電彈性體執(zhí)行器的軟體機(jī)器人狀態(tài)反饋控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011448335.1
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112589798B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭滔;魯云花;周鵬;肖漢光
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶理工大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 重慶博凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50212
• 代理人: 黃河

本發(fā)明公開了一種基于介電彈性體執(zhí)行器的軟體機(jī)器人狀態(tài)反饋控制方法，其利用虛擬工作模擬的方式建立介電彈性體執(zhí)行器的動態(tài)控制模型，然后對動態(tài)控制模型中的未知系統(tǒng)函數(shù)構(gòu)建高斯型徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近器，并通過相應(yīng)設(shè)計(jì)其參數(shù)更新率，對高斯型徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近器的參數(shù)進(jìn)行在線動態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對所述未知系統(tǒng)函數(shù)的在線逼近，最后以狀態(tài)反饋的控制方式構(gòu)建嵌入有所述高斯型徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近器的狀態(tài)反饋智能控制器，用以在線動態(tài)調(diào)整介電彈性體執(zhí)行器的控制輸入使得狀態(tài)跟蹤誤差收斂到零，從而實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的控制目標(biāo)，以增強(qiáng)控制系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，提升基于介電彈性體執(zhí)行器的軟體機(jī)器人的自適應(yīng)性和智能性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及軟體機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于介電彈性體執(zhí)行器的軟體機(jī)器人狀態(tài)反饋控制方法。

背景技術(shù)

與以剛性結(jié)構(gòu)為主的傳統(tǒng)機(jī)器人不同，采用軟性材料加工而成的軟體機(jī)器人能大幅度連續(xù)的彎曲，扭轉(zhuǎn)和伸縮，在空間有限，極端環(huán)境，抓取復(fù)雜易碎勿等特殊應(yīng)用中可以彌補(bǔ)剛性機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈活度有限，人機(jī)交互安全性和適應(yīng)性較差的不足，能完成很多傳統(tǒng)剛性機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。因此，軟體機(jī)器人具有極大的應(yīng)用前景，而成為機(jī)器人領(lǐng)域中熱點(diǎn)研究方向。同時，由軟性材料的本質(zhì)屬性，決定了軟體機(jī)器人是無限自由度的，因此其在仿生結(jié)構(gòu)和仿生運(yùn)動方面更接近自然生物，這使得軟體機(jī)器人在設(shè)計(jì)與制造，傳感，驅(qū)動與控制等方面與剛性機(jī)器人有較大區(qū)別。

介電彈性體(Dielectric elastomer，DE)是一種智能材料，其具有高應(yīng)變響應(yīng)，高能量密度和響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如人工肌肉，仿生機(jī)器人，能量發(fā)生器等。將介電彈性體(Dielectric elastomer，DE)嵌入軟體機(jī)器人，通過加載電壓以控制DE在電場作用下的形變，使其成介電彈性體執(zhí)行器(Dielectric elastomer actuator，DEA)為來讓軟體機(jī)器人完成各種動作和運(yùn)動。因此，軟體機(jī)器人的動作和運(yùn)動控制問題本質(zhì)上可轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂艱EA的形變。

建立DEA的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型是系統(tǒng)認(rèn)識和理解DEA特性的基礎(chǔ)，也是更有利的保障為其設(shè)計(jì)的控制器具有更好的控制品質(zhì)。物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通常分為唯物模型和唯象模型兩類。其中，唯物模型是基于物理機(jī)理建立的，重在揭示物理系統(tǒng)的本質(zhì)，具有精確和明確的優(yōu)點(diǎn)，而唯象模型是基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的數(shù)據(jù)建立的，重在刻畫表現(xiàn)出的物理現(xiàn)象，具有簡單有效的優(yōu)點(diǎn)。例如，Sou在利用連續(xù)力學(xué)理論和熱力學(xué)理論，通過分析DEA形變過程中的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，提出了一個DEA的唯物模型。Sarban等用電容器和電阻器描述DEA的電氣部分，用彈簧和減震器描述DEA的機(jī)械部分，然后通過實(shí)驗(yàn)分析DEA的物理組件(例如電阻器，電容器，彈簧和減震器)的表現(xiàn)，建立了一個唯象模型。

目前，對于介電彈性體執(zhí)行器的研究結(jié)果主要集中在材料和物理特性方面，而控制方面的研究成果很少。一些研究者，利用介電彈性體執(zhí)行器上述的唯物和唯象模型提出了一些控制策略，但其中大部分都是利用開環(huán)控制方式使用壓力傳感器的壓力控制或者使用應(yīng)變傳感器的體積控制驅(qū)動軟體機(jī)器人身體的一段來執(zhí)行。然而，一般而言，介電彈性體執(zhí)行器中存在一些不可測的參數(shù)，在控制過程中需要考慮它們的一些估計(jì)值。在這個方面，對介電彈性體執(zhí)行器使用一些可實(shí)現(xiàn)的控制是十分必要的，使用的控制策略能使用介電彈性體執(zhí)行器的動態(tài)，忍受參數(shù)的不確定性和有限的測量狀態(tài)下也能夠工作。

在控制領(lǐng)域中，狀態(tài)反饋控制是現(xiàn)代控制理論的一種特色。狀態(tài)反饋控制是指將系統(tǒng)的每一狀態(tài)變量乘以相應(yīng)的反饋系數(shù)，反饋到輸入端與參考輸入相加，其和作為被控系統(tǒng)的控制信號。一個系統(tǒng)的狀態(tài)變量可以展現(xiàn)其整個系統(tǒng)的內(nèi)部特性而不需要知道系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所以相對于傳統(tǒng)的輸出反饋控制，狀態(tài)反饋控制能夠更優(yōu)秀更有效的控制系統(tǒng)，使其穩(wěn)定正常工作。

一般而言，介電彈性體執(zhí)行器中存在一些未知參數(shù)和不可測的信息，在控制過程中需要考慮因這些未知參數(shù)或不可測的信息引起的系統(tǒng)未知動態(tài)信息和狀態(tài)量的估計(jì)值或觀測值。因此，迫切需要在控制過程中考慮介電彈性體執(zhí)行器的未知動態(tài)和參數(shù)的不確定性，同時需要在這樣的情況下設(shè)計(jì)可用的高品質(zhì)控制器及其控制方法。

發(fā)明內(nèi)容