[发明专利]面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统和方法

说明书

本发明提供了一种面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统和方法，通过PC上位机与MCU下位机进行通信控制，模拟空间在轨服务的柔性臂通信；采用MOS管进行电路开关控制，通过电平转换和SMA驱动电路，以设定时间内对柔性臂进行电流驱动；通过设计仿生柔性操控臂驱动电路，实现SMA收缩与拉伸，完成柔性操控臂的运动控制与柔性操作，为柔性臂结构机构及其柔性操控在空间在轨服务与维护中的应用提供了可靠的理论基础和技术支持。使用直流稳压电源供电，使SMA驱动电路稳定。以解决传统空间关节机械臂和桁架蛇形臂难以满足受限区域、外界冲击下的非合作目标精细柔性操控需求。

技术领域

本发明涉及柔性机械臂驱动领域，具体地，涉及一种面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统和方法。

背景技术

柔性臂机器人由于其高自由度、低耗、质轻等特点，在机器人应用领域占有重要地位，柔性机械臂是柔性机器人中能够自身弯曲抓取物体的连续型仿生机器人，通常仿生灵感来源于蛇类、章鱼以及象鼻或动物触须等结构，在医疗、探测、救援等领域有着很广泛的应用价值。国际上对于柔性臂机器人的大量研究始于20世纪80年代，1983年的NASA报告当中首次提出应当建立一种可以在空间中自由运动的柔性臂机器人，以适应在轨维修、空间清理以及物资补给等需求。基于上述概念，NASA给出一个名为Telepresence ServicerUnit的概念设计。目前关于柔性机器人的大部分研究还处于理论和实验阶段，只有少数的柔性臂机器人可以应用到实际生活当中。

柔性机器人作为一种新型的仿生机器人，有着广阔的研究价值和应用前景，受到越来越多的研究者们的重视，而其中的柔性驱动器的设计开发成为了柔性机器人在各类环境下运动及工作的关键，同样受到了广泛的关注。作为仿生机器人，柔性机器人是模仿大自然中动物的肌肉或骨骼结构来建立其驱动结构。根据驱动的原理不同，驱动器的驱动方式可以分为物理驱动和化学驱动。柔性机器人的物理驱动也称为机械驱动，其物理过程中的能量转化的特点与传统物理驱动方式类似。柔性机器人的物理驱动器主要包括：启动驱动器、电活性聚合物(EAP)或者形状记忆合金(SMA)丝、弹簧等。柔性机器人的化学驱动驱使机器人运动的方法是利用其化学反应而将化学能转化为机械能从而带动柔性机器人运动。另外，按照驱动器材料的工作机理来区分，柔性驱动器又可分为：压力驱动器、电活性聚合物驱动器、类肌腱驱动器。其中，压力驱动器是利用辅助设备装置在复合结构的空腔中产生压力，驱使复合结构发生弯曲或变形；电活性聚合物是通过利用外界磁场分布的变化来驱使聚合物发生弯曲变形，EAP的这种工作原理可以使其独立作为柔性驱动器的驱动材料来实现机器人的弯曲变形；类肌腱驱动器利用其驱动材料的收缩带动柔性驱动器实现运动，这种驱动器的工作原理是采用细长的绳索类驱动材料或传动设备与柔性结构组合。

柔性驱动器的设计作为柔性机器人应用的关键技术，决定柔性机器人的工作机理和使用环境。近年来，虽然新型智能材料的兴起涌现以及3D打印技术的蓬勃发展使得柔性驱动器的控制更加精准、制作更加方便，其应用研究得到了很大程度的进步发展，但是现有材料性能的稳定性还不能彻底满足柔性驱动器的变形要求，其驱动还有很大的改进空间。目前，柔性机器人一般采用气动、绳索、EAP或SMA丝、弹簧等材料作为其主要的驱动方式。

在柔性臂领域，大部分研究工作的控制方法比较初步，一般都是使用开环的方式，人为设置运动指令来控制柔性臂的运动。在柔性机器人的各大类型中，连续型机器人的控制方法研究相对比较容易，这是由于连续型机器人的模型比较容易建立，有不少学者成功将传统控制器设计手段应用到这类机器人中。随着人工智能的发展，机器人的智能控制越来越引人关注，基于学习的控制方法逐渐兴起，也开始尝试应用于柔性臂中。因此到目前为止，柔性臂的运动控制研究大致可分为两大类：基于模型的方法与基于学习的无模型方法。

基于模型的运动控制器目前主要在连续性柔性臂中被广泛研究，大部分只是基于模型的方法依据等曲率假设，因为复杂的模型计算量太大了，不利于实际应用。虽然等曲率假设比较简单且忽略了许多条件，但它目前对于均匀低质量柔性臂来说，是最可靠的一种运动学建模的方法。针对这类柔性臂的运动控制，针对构型空间的反馈控制器是非常重要，它对于柔性臂的滞后性质等是一个必要的控制精度补偿手段。