[发明专利]双程SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲模块及其控制方法

说明书

本申请涉及机器人技术领域，特别涉及双程SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲模块及其控制方法，其中，本申请设计并实现了一种由SMA弹簧驱动的软体机器人弯曲模块，分别通过直流电加热SMA和压缩空气主动冷却SMA实现对机器人弯曲和恢复的双向驱动；为了实现对机器人弯曲姿态的闭环控制，设计了一种双通道控制算法，分别实现对机器人弯曲角度和摆动角度的闭环控制，并成了SMA的加热和主动冷却；此外，机器人模块还可以通过控制器协调二自由度弯曲运动，实现对预定义轨迹和随机生成轨迹的有效运动跟踪，具有相当的应用前景。

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别涉及一种双程SMA(Shape Memory Alloy，形状记 忆合金)弹簧驱动的软体机器人弯曲模块及其控制方法。

背景技术

机器人设备在工业和人民日常生活中扮演着越来越重要的角色。传统机器人通常由刚 性部件和驱动电机组成，能够准确、快速、高效地执行可重复的任务。但其由钢铁等金属 构成的机器人本体对环境的适应性有限，且对与之交互的操作员安全性很低。为了克服这 些限制，研究人员开发了由柔软材料制成的具有连续可变形的软体机器人。经过多年的发 展，软体机器人已经证明了其在操纵易碎物体、在复杂地形中移动、探索未知区域和医疗 用途等方面的潜力。然而，在外科手术和环境检测等实际应用中，总是要求机器人本体或 末端执行器有着高度的运动可控性，以实现可编程和可靠的运动，从而完成检测和操作任 务。但对软体机器人而言，其本体结构的柔软性和连续的变形对运动控制则是一个巨大挑 战。

在软体机器人众多的驱动器类型中，SMA是一种可以通过温度刺激从变形形状恢复到 原始形状的一种具有高能量密度、低驱动电压的智能材料。各种SMA驱动的软机器人已经 被相继研发出来，能够实现基本的操纵和移动功能，其中包括利用其高能量密度特性制作 出来的可跳跃的机器人，如在水上跳跃，在地面上切换步态和跳跃，无缆化驱动，甚至在 狭窄空间(如血管)中运动。然而，相关技术中通常是手动或通过一些简单的经验算法控制软体机器人，严重依赖于操作员的经验，大大限制了软体机器人的进一步应用。一些研究人员通过使用简单的比例积分微分(PID)控制器控制机器人，表现出了较好的控制性能，这表明SMA驱动的软体机器人具有精准运动控制的潜能。为了进一步提高SMA驱动的软 体机器人的性能，进一步推广其在日常生活中的运用，需要开发针对此类机器人实现快速 运动和承担一定外部负载的控制器和控制系统。

发明内容

本申请第一方面实施例提供一种双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统，包括：机器人 弯曲模块本体，所述机器人弯曲模块本体由三只双程形状记忆合金SMA弹簧驱动，其中，双程SMA弹簧具有双向形状记忆效应；传感系统，用于获取所述软体机器人的当前姿态信息；SMA驱动系统，用于对机器人系统中的双程SMA弹簧进行加热或冷却；控制系统， 用于根据所述软体机器人的目标姿态信息和所述当前姿态信息计算施加在三只双程SMA 弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号，并将信号发送至SMA驱动系统执行，加热或冷却 驱动软体机器人运动的三只SMA弹簧，使得所述软体机器人达到目标姿态。

本申请第二方面实施例提供一种双程SMA弹簧驱动的软体机器人系统的控制方法，包 括以下步骤：获取所述软体机器人的当前姿态信息；根据所述软体机器人的目标姿态信息 和所述当前姿态信息计算施加在三只双程SMA弹簧上的加热电压信号或冷却气流信号；将 信号发送至SMA驱动系统执行，加热或冷却驱动软体机器人运动的三只SMA弹簧，使得 所述软体机器人达到目标姿态。