[发明专利]电磁驱动的多稳态软体机械臂系统

说明书

本发明公开了一种电磁驱动的多稳态软体机械臂系统。本发明的电磁驱动的多稳态软体机械臂系统中，多稳态软体机械臂本体由若干个软体驱动器串联和/或并联组成，软体驱动器利用电磁铁通电后产生的驱动力进行驱动，电磁铁对的数量等于软体机械臂的自由度，可以满足超冗余自由度软体机械臂操控要求。并且，每个软体驱动器在断电后可以保持稳态，从而大大降低了系统功耗，同时也可以避免电磁铁长时间通电造成的发热问题。另外，控制器基于传感器的感知信息来控制可编程开关阵列的开闭状态，从而控制多稳态软体机械臂本体的运动形态，控制方式简单可靠，可以很好地满足超冗余自由度软体机械臂控制要求，并且对目标物体的操控定位也很精准。

技术领域

本发明涉及软体机械臂技术领域，特别地，涉及一种电磁驱动的多稳态软体机械臂系统。

背景技术

软体机械臂是指由软体材料构成的、具有连续运动特征的机械臂系统，与刚性机械臂由刚性杆件组成不同，软体机械臂由软体材料构成，可以实现与目标物体的柔性接触和安全操控。同时，软体机械臂理论上具有无穷多自由度，相比于传统刚性机械臂而言易于实现超冗余自由度结构，在适应复杂非结构环境、产生灵巧运动方面具有独特优势。安全柔性操控与复杂非结构环境适应性使得软体机械臂在灾害救援、人机协同、医疗服务等领域具有巨大的应用前景，成为国内外机器人研究的前沿领域和热点方向。

软体机械臂具有多种多样的驱动方式，如气压驱动、形状记忆合金、绳系控制、气动人工肌肉、电活性聚合物驱动、水凝胶驱动、形状记忆聚合物驱动等，虽然理论上软体机械臂具有无穷多自由度，但是为了对软体结构进行主动控制，需要输入多个相互独立的驱动力，驱动力个数等于软体机械臂的实际可控自由度，它反映了软体机械臂运动的灵活性。因此，在已有的软体机械臂驱动方式中，气动人工肌肉、气压驱动等由于压气机、气体管路等限制，无法实现大范围移动式作业，且由于管路限制难以实现超冗余自由度；在绳系控制中，每一个自由度对应一个驱动电机，实现软体机械臂超冗余自由度意味着需要大量驱动电机，造成系统笨重而无法实现移动式作业；水凝胶驱动主要面向有水环境，工作环境限制较大；形状记忆合金、形状记忆聚合物具有形状记忆功能，但是变化形式单一，如形状记忆合金仅存在高温、低温两个状态，且温度控制会带来系统复杂度的增加；电活性聚合物要求的驱动电压很高，且输出力较小，难以满足超冗余自由度软体机械臂操控要求。

发明内容

本发明提供了一种电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，以解决现有的软体机械臂难以满足超冗余自由度操控要求的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，包括：电源、控制器、可编程开关阵列、多稳态软体机械臂本体、传感器和末端操控装置，所述多稳态软体机械臂本体由若干个软体驱动器串联和/或并联组成，所述软体驱动器利用电磁铁对通电后产生的驱动力进行驱动且在断电后保持稳态，所述末端操控装置固定安装在多稳态软体机械臂本体的前端并用于操控目标物体，所述传感器安装在多稳态软体机械臂本体和末端操控装置上并用于感知多稳态软体机械臂本体的运动状态和末端操控装置与目标物体之间的相对状态，所述电源通过导线与可编程开关阵列连接并用于输出电流，所述可编程开关阵列通过导线分别与多稳态软体机械臂本体上的每个电磁铁单独连接以形成多个电流回路，所述可编程开关阵列用于控制每个电流回路的通断，所述传感器和可编程开关阵列还与控制器连接，所述控制器用于根据传感器的感知信息控制可编程开关阵列的开闭状态。

进一步地，所述软体驱动器包括滑动式双稳态驱动器和/或折痕式双稳态驱动器，所述滑动式双稳态驱动器利用通电后电磁铁对之间的切向力进行驱动，所述折痕式双稳态驱动器利用通电后电磁铁对之间的法向力进行驱动。