[發(fā)明專利]基于離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料柔性機(jī)械臂的無(wú)源控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110764320.4
• 申請(qǐng)日: 2021-07-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113370218B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周維鈞;李艷君
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙大城市學(xué)院
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 杭州九洲專利事務(wù)所有限公司 33101
• 代理人: 張羽振

1.基于離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料柔性機(jī)械臂的無(wú)源控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、建立由離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料驅(qū)動(dòng)的內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型，內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型是柔性機(jī)械梁模塊和IPMC驅(qū)動(dòng)模塊組成的復(fù)合物理系統(tǒng)；根據(jù)柔性機(jī)械梁模塊和IPMC驅(qū)動(dòng)模塊的狀態(tài)方程得到復(fù)合物理系統(tǒng)的能量方程；

步驟2、通過(guò)建立端口哈密頓模型，證明內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型是無(wú)源的；整個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)保持互聯(lián)穩(wěn)定；

步驟3、進(jìn)一步通過(guò)級(jí)聯(lián)與阻尼配置無(wú)源控制方法對(duì)柔性機(jī)械臂設(shè)計(jì)控制器，預(yù)設(shè)前饋無(wú)源控制參數(shù)，將由離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料驅(qū)動(dòng)的內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型無(wú)源化；

步驟3.1、首先定義漸近穩(wěn)定的端口哈密頓目標(biāo)系統(tǒng)其中J_d、R_d分別是逆轉(zhuǎn)矩陣和對(duì)稱矩陣；H_d(x)滿足以下偏微分方程：

上述偏微分方程為匹配條件，其中J為能量傳遞矩陣，R為能量損耗矩陣；其中g(shù)為復(fù)合物理系統(tǒng)的輸入矩陣，g^⊥是g的滿秩零化子，并且哈密頓函數(shù)H_d(x)滿足條件：

x^*＝argminH_d(x)

x^*為待穩(wěn)定的目標(biāo)點(diǎn)，滿足復(fù)合物理系統(tǒng)的端口哈密頓模型完全漸進(jìn)穩(wěn)定的級(jí)聯(lián)與阻尼配置無(wú)源控制方法的表達(dá)式如下：

其中J_d、R_d分別是逆轉(zhuǎn)矩陣和對(duì)稱矩陣；

步驟3.2、通過(guò)級(jí)聯(lián)與阻尼配置無(wú)源控制方法對(duì)柔性機(jī)械臂設(shè)計(jì)使端口哈密頓目標(biāo)系統(tǒng)完全漸進(jìn)穩(wěn)定的控制器：

其中為設(shè)定的控制目標(biāo)向量，φ^*、Q^*分別是目標(biāo)角應(yīng)變、目標(biāo)磁通量和目標(biāo)電荷；R₁、R₂均指IPMC執(zhí)行器的等效電路電阻矩陣，且R₁、R₂分別是對(duì)角線為r₁、r₂的對(duì)角矩陣；φ為磁通量，Q為電容器的電荷；K是Darcy滲透度；

對(duì)分布參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行離散后，步驟2中柔性機(jī)械梁模塊與IPMC執(zhí)行器的互連模型內(nèi)的T、S皆為M離散過(guò)后m×m的數(shù)值矩陣，C′、L′分別是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電容參數(shù)和電感參數(shù)；r_c為阻尼參數(shù)；

步驟3.3、證明由離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料驅(qū)動(dòng)的內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型具有無(wú)源性；

首先定義一個(gè)復(fù)合物理系統(tǒng)g的滿秩零化子g^⊥：

I_n是對(duì)角線為1的對(duì)角矩陣，矩陣維度為n×n；

通過(guò)設(shè)置R_d＝R+R_c，對(duì)復(fù)合物理系統(tǒng)進(jìn)行阻尼注入，R_c＝diag(0 0 r_c 0)，r_c為阻尼參數(shù)；

通過(guò)設(shè)置H_d(x)＝H(x)+H_c(x)，將步驟3.1中匹配條件寫成以下匹配方程式：

從上述匹配條件，復(fù)合物理系統(tǒng)所需能量的交叉項(xiàng)在x₃、φ和Q之間，假設(shè)：

選擇以下參數(shù)的值滿足匹配條件：

將上述參數(shù)代入步驟3.1的無(wú)源控制方法的表達(dá)式中，得到步驟3.2中設(shè)計(jì)的控制器表達(dá)式；

步驟4、計(jì)算無(wú)源控制參數(shù)C′和阻尼參數(shù)r_c，最后控制參數(shù)K；

無(wú)源控制參數(shù)C′取值滿足條件x^*＝argminH_d(x)，并且：H_d的黑塞矩陣在期望的平衡點(diǎn)是正定的；

選擇無(wú)源控制參數(shù)C′滿足上式，則步驟3.2設(shè)計(jì)的使端口哈密頓目標(biāo)系統(tǒng)完全漸進(jìn)穩(wěn)定的控制器成立且復(fù)合物理系統(tǒng)穩(wěn)定；

通過(guò)控制阻尼參數(shù)r_c控制對(duì)復(fù)合物理系統(tǒng)阻尼注入的量，通過(guò)增大阻尼參數(shù)r_c的值來(lái)抑制柔性機(jī)械臂的抖振；

步驟5、設(shè)定完成的控制算法下載到數(shù)字信號(hào)處理器中，復(fù)合物理系統(tǒng)通過(guò)IPMC驅(qū)動(dòng)模塊兩端的電壓驅(qū)動(dòng)使IPMC驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)生形變，從而驅(qū)動(dòng)內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型的柔性機(jī)械梁模塊，進(jìn)而控制位于柔性機(jī)械梁模塊內(nèi)機(jī)械臂末端的內(nèi)窺鏡的位置。