CN111546340B - 电磁驱动的多稳态软体机械臂系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

电磁驱动的多稳态软体机械臂系统

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。

进一步地，所述滑动式双稳态驱动器包括两个电磁铁对、两个硬质材料体和两个软质材料体，两个硬质材料体设置为只能进行上下滑动，两个软质材料体分别连接硬质材料体的两个上端和两个下端，两个电磁铁对呈上下排布，每个电磁铁对的两块电磁铁分别安装在两个硬质材料体上，当其中一个电磁铁对通电时另一个电磁铁对断电，通电后的电磁铁对相互吸引并驱动两个硬质材料体相对滑动，且当通电的两块电磁铁位置对齐时，断电的两块电磁铁位置错开，两个硬质材料体相对错开的距离最大，此时滑动式双稳态驱动器处于稳定的平衡态。

进一步地，两个电磁铁对分别通电时，滑动式双稳态驱动器处于不同的稳态，所述控制器通过可编程开关阵列控制两个电磁铁对的通断电状态实现滑动式双稳态驱动器在两个稳态之间的切换。

进一步地，所述折痕式双稳态驱动器包括三个硬质材料体、一个软质材料体和一个电磁铁对，两个硬质材料体平行设置，第三个硬质材料体与两个平行的硬质材料体所在的平面相交，且第三个硬质材料体的一端与其中一个硬质材料体的一端相连，硬质材料体只能进行上下滑动，软质材料体分别与平行的两个硬质材料体相连，电磁铁对的其中一块电磁铁安装在第三个硬质材料体上，另一块电磁铁安装在软质材料体上，且两块电磁铁的一端相连，另一端呈角度布置，通电时两块电磁铁组成的折痕式结构相互吸引驱动平行的两个硬质材料体相互靠近(磁性相反)或相互排斥(磁性相同)，断电时折痕式结构之间无作用力。

进一步地，所述电源为直流电源，通过增加可编程开关阵列与电磁铁连接的导线路数即可增加软体机械臂驱动自由度。

进一步地，所述多稳态软体机械臂系统的工作模式包括固定工作模式和移动工作模式，在移动工作模式下，电源、控制器和可编程开关阵列固定安装在多稳态软体机械臂本体上。

进一步地，所述软质材料体的材质为硅胶或树脂。

本发明具有以下效果：

本发明的电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，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，可以形成形式各样的软体机械臂，可以适用于不同的应用场景，并且软体驱动器是利用电磁铁对通电后产生的驱动力进行驱动的，每一个电磁铁对具有一个独立的驱动作用，电磁铁对的数量即等于软体机械臂的自由度，从而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，即可实现每个电磁铁的通断电状态的单独控制，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。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的电磁驱动的多稳态软体机械臂系统的结构示意图。

图2是本发明优选实施例的滑动式双稳态驱动器处于稳态1时的结构示意图。

图3是本发明优选实施例的滑动式双稳态驱动器处于稳态2时的结构示意图。

图4是本发明优选实施例的折痕式双稳态驱动器处于稳态1时的结构示意图。

图5是本发明优选实施例的折痕式双稳态驱动器处于稳态2时的结构示意图。

图6是本发明一具体实施例的串联形式的多稳态软体机械臂本体4的主视示意图。

图7是本发明一具体实施例的串联形式的多稳态软体机械臂本体4的俯视示意图。

图8是本发明一具体实施例的串联形式的多稳态软体机械臂本体4的轴测示意图。

附图标记说明

1、电源；2、控制器；3、可编程开关阵列；4、多稳态软体机械臂本体；5、传感器；6、末端操控装置；41、电磁铁对；42、硬质材料体；43、软质材料体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1至图5所示，本发明的优选实施例提供一种电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，其通过电磁铁对41通电后产生磁场来驱动软体机械臂运动，每一个电磁铁对41具有一个独立的驱动作用，电磁铁对41的数量即等于软体机械臂的自由度，从而满足超冗余自由度软体机械臂操控要求，并且采用了多稳态软体结构来实现断电条件下的状态维持，从而使软体机械臂可以以低功耗状态运动。具体地，所述电磁驱动的多稳态软体机械臂系统包括电源1、控制器2、可编程开关阵列3、多稳态软体机械臂本体4、传感器5和末端操控装置6，所述多稳态软体机械臂本体4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41通电后产生的驱动力进行驱动，并且在断电后还可以保持稳态。所述末端操控装置6固定安装在多稳态软体机械臂本体4的前端并用于操控目标物体，例如抓取、搬运、旋转目标物体等，可以根据不同的任务要求选择相应的末端操作工具。所述传感器5安装在多稳态软体机械臂本体4和末端操控装置6上，所述传感器5可以感知多稳态软体机械臂本体4的运动状态和末端操控装置6与目标物体之间的相对状态，例如，多稳态软体机械臂本体4上的传感器5可以感知多稳态软体机械臂本体4本身的位置、速度、加速度、角速度等，而末端操控装置6上的传感器5则可以感知末端操控装置6与目标物体之间的相对位置。所述电源1通过导线与可编程开关阵列3连接并用于输出电流，所述可编程开关阵列3通过导线分别与多稳态软体机械臂本体4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3可以控制每个电流回路的通断，即控制每个电磁铁的通断电状态，从而控制每个电磁铁对41能否产生驱动力。所述电源1采用直流电源，由于电磁驱动的输入是直流电流，只需要增加可编程开关阵列3与电磁铁连接的导线路数即可增加软体机械臂驱动自由度，更加易于实现软体机械臂的超冗余自由度运动。所述可编程开关阵列3具有单输入、多输出的特征，其输入端接直流电源，输出端具有多个相互独立的电流/电压输出，可以形成多个电流回路，每个电流回路可以单独为多稳态软体机械臂本体4上的电磁铁供电使其产生磁场。而可编程开关阵列3的控制信号来自控制器2，控制信号可以确定可编程开关阵列3的开闭状态。因此，所述传感器5和可编程开关阵列3还与控制器2连接，所述传感器5将感知信息传输给控制器2，所述控制器2针对所要实现的操控任务，基于软体机械臂动力学或运动学模型进行运动规划，从而确定多稳态软体机械臂本体4中哪些电磁铁需要通电产生驱动力，哪些电磁铁需要断电不产生驱动力，并输出控制信号给可编程开关阵列3以控制可编程开关阵列3的开闭状态，从而控制各个电磁铁的通断电状态。

可以理解，在本优选实施例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4由若干个软体驱动器串联和/或并联组成，可以形成形式各样的软体机械臂，可以适用于不同的应用场景，并且软体驱动器是利用电磁铁对41通电后产生的驱动力进行驱动的，每一个电磁铁对41具有一个独立的驱动作用，电磁铁对41的数量即等于软体机械臂的自由度，从而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2基于传感器5的感知信息来控制可编程开关阵列3的开闭状态，即可实现每个电磁铁的通断电状态的单独控制，从而控制多稳态软体机械臂本体4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。

可以理解，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，其中，所述滑动式双稳态驱动器利用通电后电磁铁对41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41之间的法向力进行驱动。因此，若干个双稳态驱动器串联和/或并联后，多稳态软体机械臂本体4即具有多稳态能力。

具体地，所述滑动式双稳态驱动器包括两个电磁铁对41、两个硬质材料体42和两个软质材料体43，两个硬质材料体42设置为只能进行上下滑动，硬质材料体42在其它方向上的运动自由度均被限制，例如被燕尾槽等限位结构限制。两个软质材料体43分别连接硬质材料体42的两个上端和两个下端，即一个软质材料体43分别连接两个硬质材料体42的上端，另一个软质材料体43分别连接两个硬质材料体42的下端，当两个硬质材料体42产生相对滑动时，所述软质材料体43被拉长或被压缩。所述软质材料体43的材质为硅胶、树脂等，所述硬质材料体42的材质为金属、合金、塑料、硬质复合材料等。两个电磁铁对41呈上下排布，每个电磁铁对41的两块电磁铁分别安装在两个硬质材料体42上，当其中一个电磁铁对41通电时另一个电磁铁对41断电，通电后的电磁铁对41相互吸引产生的切向力驱动两个硬质材料体42相对滑动，断电的电磁铁对41对内部无作用力。当两个硬质材料体42对齐时，软质材料体43由于受到两个硬质材料体42的挤压而变得长度最小，当两个硬质材料体42上下滑动错开的距离最大时，软质材料体43被拉伸至最大长度，此时，滑动式双稳态驱动器处于稳定的平衡态，即使两个电磁铁对41均断电，滑动式双稳态驱动器仍然可以保持当前平衡态，电磁铁无需长时间处于通电状态，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。并且，当通电的两块电磁铁位置对齐时，断电的两块电磁铁位置错开，此时两个硬质材料体42相对错开的距离最大。因此，两个电磁铁对41分别通电时，滑动式双稳态驱动器则处于两种不同的稳定形态，所述控制器2通过可编程开关阵列3控制两个电磁铁对41的通断电状态实现滑动式双稳态驱动器在两个稳态之间的切换，在两个稳态之间的切换过程中，软质材料体43先受挤压长度变到最短，然后压力逐步释放长度变到最长，当软质材料体43的长度达到最长时，滑动式双稳态驱动器即处于稳态，由于两个稳态之间的切换需要外力压缩软质材料体43才能实现，如果状态切换所需要的力大于结构重力、外部干扰力等之和，即使两个电磁铁对41同时断电，滑动式双稳态驱动器仍然可以保持当前状态。可见，电磁驱动的力学双稳态实现是有条件的，即电磁切向力>状态切换力>结构重力+外部干扰力。若不满足该条件，则无法实现电磁驱动的力学双稳态。若状态切换力≤结构重力+外部干扰力，则力学双稳态不存在；若状态切换力>结构重力+外部干扰力，但是电磁切向力≤状态切换力，则力学双稳态存在但是无法利用电磁切向力进行控制，也就无法实现滑动式双稳态驱动器。

另外，所述折痕式双稳态驱动器包括三个硬质材料体42、一个软质材料体43和一个电磁铁对41，其中两个硬质材料体42平行设置，第三个硬质材料体42与两个平行设置的硬质材料体42所在的平面相交，且第三个硬质材料体42的一端与其中一个硬质材料体42的一端相连，硬质材料体42只能进行上下滑动，即只有两个平行设置的硬质材料体42可发生滑动，第三个硬质材料体42无法发生滑动。所述软质材料体43分别与平行的两个硬质材料体42相连，电磁铁对41的其中一块电磁铁安装在第三个硬质材料体42上，另一块电磁铁安装在软质材料体43上，且两块电磁铁的一端相连，另一端呈角度布置，通电时两块电磁铁组成的折痕式结构相互吸引(磁性相反)或相互排斥(磁性相同)产生的法向力驱动平行设置的两个硬质材料体42相互靠近或远离，断电时折痕式结构之间无作用力，从而实现折痕式结构的打开和闭合。当折痕式结构打开到最大程度时，软质材料体43的长度被拉伸至最长，此时折痕式双稳态驱动器处于稳定的平衡态；而当折痕式结构闭合到最大程度时，所述软质材料体43的长度也被拉伸至最长，此时折痕式双稳态驱动器也处于稳定的平衡态。可以理解，当折痕式双稳态驱动器由打开状态切换到闭合状态时，通过对电磁铁对41通正向直流电流，两个电磁铁之间相互吸引驱动平行设置的两个硬质材料体42相对滑动，直至达到最大闭合状态；而当折痕式双稳态驱动器由闭合状态切换到打开状态时，通过对电磁铁对41通反向直流电流，两个电磁铁之间相互排斥驱动平行设置的两个硬质材料体42相对滑动，直至达到最大打开状态。需要说明的是，可编程开关阵列(3)与每个电磁铁之间均存在正向回路和反向回路，两个回路中的电流方向相反，且任意时刻两个回路中仅有一个回路或0个回路处于通电状态。当正向回路接通、反向回路断开时，正向电流通过电磁铁；当反向回路接通、正向回路断开时，反向电流通过电磁铁。同样地，在两个稳态之间进行切换时，需要外力驱使软质材料体43受压变到最短，然后压力释放长度变到最长，而电磁铁对41之间的法向力则提供了两个稳态切换的作用力。当达到其中一个稳态时，由于两个稳态之间的切换需要外力压缩软质材料体43才能实现，如果状态切换所需要的力大于结构重力、外部干扰力等之和，即使电磁铁对41断电，折痕式双稳态驱动器仍然可以保持当前状态。可以理解，无论是滑动式双稳态驱动器还是折痕式双稳态驱动器，相邻两个软体驱动器之间通过硬质材料体42固定连接，而软质材料体43则作为活动部位，从而实现力学双稳态特性。可见，电磁驱动的力学双稳态实现是有条件的，即电磁法向力>状态切换力>结构重力+外部干扰力。若不满足该条件，则无法实现电磁驱动的力学双稳态。若状态切换力≤结构重力+外部干扰力，则力学双稳态不存在；若状态切换力>结构重力+外部干扰力，但是电磁法向力≤状态切换力，则力学双稳态存在但是无法利用电磁法向力进行控制，也就无法实现折痕式双稳态驱动器。

另外，所述多稳态软体机械臂系统的工作模式包括固定工作模式和移动工作模式，在移动工作模式下，电源1、控制器2和可编程开关阵列3固定安装在多稳态软体机械臂本体4上，而在固定工作模式下，电源1、控制器2和可编程开关阵列3可以选择与多稳态软体机械臂本体4固连或者不固连。

如图6至图8所示，作为本发明的一个具体实施例，多稳态软体机械臂本体4采用了三节单元串联组成，每一节单元由三组软体驱动器沿周向阵列而成。对于每一节单元，可以实现伸缩变形模式，也可以实现弯曲变形模式。而串联阵列则实现了单元变形的叠加，当各单元变形模式相同时，可实现机械臂空间大范围伸长或缩短，当各单元变形模式不同时，可实现机械臂复杂的空间构型，例如拉伸-弯曲组合变形、S构型等。在此基础上，可实现软体机械臂变形模式以及末端路径的规划控制，为提升复杂非结构环境下的操作能力提供了一种可行的解决方案。另外，可以根据任务要求和工作环境，以不同的方式对软体驱动器进行串联和/或并联后得到形态各异、性能不同的电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，在此不做具体限定，其均处于本发明的保护范围内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，其特征在于，包括：

电源(1)、控制器(2)、可编程开关阵列(3)、多稳态软体机械臂本体(4)、传感器(5)和末端操控装置(6)，所述多稳态软体机械臂本体(4)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(41)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(6)固定安装在多稳态软体机械臂本体(4)的前端并用于操控目标物体，所述传感器(5)安装在多稳态软体机械臂本体(4)和末端操控装置(6)上并用于感知多稳态软体机械臂本体(4)的运动状态和末端操控装置(6)与目标物体之间的相对状态，所述电源(1)通过导线与可编程开关阵列(3)连接并用于输出电流，所述可编程开关阵列(3)通过导线分别与多稳态软体机械臂本体(4)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(3)用于控制每个电流回路的通断，所述传感器(5)和可编程开关阵列(3)还与控制器(2)连接，所述控制器(2)用于根据传感器(5)的感知信息控制可编程开关阵列(3)的开闭状态；

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(41)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(41)之间的法向力进行驱动；

所述滑动式双稳态驱动器包括两个电磁铁对(41)、两个硬质材料体(42)和两个软质材料体(43)，两个硬质材料体(42)设置为只能进行上下滑动，两个软质材料体(43)分别连接硬质材料体(42)的两个上端和两个下端，两个电磁铁对(41)呈上下排布，每个电磁铁对(41)的两块电磁铁分别安装在两个硬质材料体(42)上，当其中一个电磁铁对(41)通电时另一个电磁铁对(41)断电，通电后的电磁铁对(41)相互吸引并驱动两个硬质材料体(42)相对滑动，且当通电的两块电磁铁位置对齐时，断电的两块电磁铁位置错开，两个硬质材料体(42)相对错开的距离最大，此时滑动式双稳态驱动器处于稳定的平衡态；

所述折痕式双稳态驱动器包括三个硬质材料体(42)、一个软质材料体(43)和一个电磁铁对(41)，两个硬质材料体(42)平行设置，第三个硬质材料体(42)与两个平行的硬质材料体(42)所在的平面相交，且第三个硬质材料体(42)的一端与其中一个硬质材料体(42)的一端相连，硬质材料体(42)只能进行上下滑动，软质材料体(43)分别与平行的两个硬质材料体(42)相连，电磁铁对(41)的其中一块电磁铁安装在第三个硬质材料体(42)上，另一块电磁铁安装在软质材料体(43)上，且两块电磁铁的一端相连，另一端呈角度布置，通电时两块电磁铁组成的折痕式结构相互吸引驱动平行的两个硬质材料体(42)相对滑动，断电时折痕式结构之间无作用力。

2.如权利要求1所述的电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，其特征在于，

两个电磁铁对(41)分别通电时，滑动式双稳态驱动器处于不同的稳态，所述控制器(2)通过可编程开关阵列(3)控制两个电磁铁对(41)的通断电状态实现滑动式双稳态驱动器在两个稳态之间的切换。

3.如权利要求1所述的电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，其特征在于，

所述电源(1)为直流电源，通过增加可编程开关阵列(3)与电磁铁连接的导线路数即可增加软体机械臂驱动自由度。

4.如权利要求1所述的电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，其特征在于，

所述多稳态软体机械臂系统的工作模式包括固定工作模式和移动工作模式，在移动工作模式下，电源(1)、控制器(2)和可编程开关阵列(3)固定安装在多稳态软体机械臂本体(4)上。

5.如权利要求1所述的电磁驱动的多稳态软体机械臂系统，其特征在于，

所述软质材料体(43)的材质为硅胶或树脂。

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