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

有效

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• 申請日: 2021-07-06
• 公開（公告）號: CN113370218B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周維鈞;李艷君
• 申請（專利權(quán)）人: 浙大城市學(xué)院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: 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

本發(fā)明涉及一種基于端口哈密頓建模的離子聚合物金屬復(fù)合材料柔性機(jī)械臂的無源控制方法，包括步驟：建立由離子聚合物金屬復(fù)合材料驅(qū)動的內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型；根據(jù)柔性機(jī)械梁模塊和IPMC驅(qū)動模塊的狀態(tài)方程得到復(fù)合物理系統(tǒng)的能量方程；通過建立端口哈密頓模型，證明內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型是無源的；整個開環(huán)系統(tǒng)保持互聯(lián)穩(wěn)定；進(jìn)一步通過級聯(lián)與阻尼配置無源控制方法對柔性機(jī)械臂設(shè)計控制器，預(yù)設(shè)前饋無源控制參數(shù)，將內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型無源化。本發(fā)明的有益效果是：提出一種對柔性機(jī)械臂的無源控制方法，使柔性機(jī)械臂達(dá)到動態(tài)平衡的同時達(dá)到對彈性振動的抑制，實(shí)現(xiàn)在人體環(huán)境內(nèi)實(shí)時對內(nèi)窺鏡機(jī)械臂的運(yùn)動控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)械臂的控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于端口哈密頓建模的離子聚合物金屬復(fù)合材料柔性機(jī)械臂的無源控制方法，具體涉及柔性機(jī)械臂的基于端口哈密頓建模的多種物理尺度模型的無源控制方法。

背景技術(shù)

人體結(jié)構(gòu)的環(huán)境復(fù)雜且脆弱，剛性的手術(shù)設(shè)備自由度比較低，對手術(shù)會造成的很大的局限性。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，柔性機(jī)械臂自由度高，對人體創(chuàng)傷小。離子聚合物金屬復(fù)合材料IPMC(electroactive polymer,EAP)是一種新型智能高分子材料，當(dāng)有外加電場時，電活性聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在薄膜表面的導(dǎo)電層之間的靜電引力促使薄膜發(fā)生壓縮與形變。新型多自由度的由仿生材料制作的柔性機(jī)械臂使用(電活性聚合物)作為執(zhí)行器。這種機(jī)械臂可以通過微創(chuàng)手術(shù)進(jìn)入人體作為微型內(nèi)窺鏡的執(zhí)行器，或者進(jìn)行定點(diǎn)給藥。

對于柔性機(jī)械臂，彈性振動問題是至關(guān)重要且不能避免的。彈性振動是梁的機(jī)械機(jī)構(gòu)的一種內(nèi)在擾動，一般很難快速衰減，特別是當(dāng)多自由度機(jī)械臂運(yùn)動時，柔性振動通過各關(guān)節(jié)間的耦合在機(jī)械臂末端放大，對系統(tǒng)造成振蕩甚至不穩(wěn)定。

近幾年，人們在這個問題上做了很多研究。比如運(yùn)用模糊神經(jīng)控制算法或者自適應(yīng)模糊滑模控制來消去彈性振動。但是這些研究方法都對模型都進(jìn)行了簡化，并且很少考慮整個柔性機(jī)械臂的物理系統(tǒng)的能量問題。

如果設(shè)計的物理量，從能量的角度能夠使系統(tǒng)能量函數(shù)按照我們希望的能量函數(shù)進(jìn)行分布，那就可以從能量的角度達(dá)到控制目的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于離子聚合物金屬復(fù)合材料柔性機(jī)械臂的無源控制方法。

這種基于離子聚合物金屬復(fù)合材料柔性機(jī)械臂的無源控制方法，包括以下步驟：

步驟1、建立由離子聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC)驅(qū)動的內(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)動模塊組成的復(fù)合物理系統(tǒng)(整個系統(tǒng)里有多種物理現(xiàn)象)；根據(jù)柔性機(jī)械梁模塊和IPMC驅(qū)動模塊的狀態(tài)方程得到復(fù)合物理系統(tǒng)的能量方程；

步驟2、通過建立端口哈密頓模型，證明內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型是無源的；整個開環(huán)系統(tǒng)(open loop system，為未受過調(diào)節(jié)的復(fù)合物理系統(tǒng))保持互聯(lián)穩(wěn)定；

步驟3、進(jìn)一步通過級聯(lián)與阻尼配置無源控制方法(IDA-PBC)對柔性機(jī)械臂設(shè)計控制器，預(yù)設(shè)前饋無源控制參數(shù)，將由離子聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC)驅(qū)動的內(nèi)窺柔性機(jī)械臂模型無源化；

步驟3.1、首先定義一個漸近穩(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)