[发明专利]一种基于形状记忆合金的感知驱动一体化薄板驱动器

说明书

本发明公开了一种基于形状记忆合金(SMA)的感知驱动一体化薄板驱动器，属于软体机器人技术领域。该驱动器包括两块固定板、柔性传感器阵列、硅胶基体、弹性薄片以及SMA丝。当通过导线对SMA丝通电加热时，SMA丝收缩，拉动驱动器向硅胶基体一侧弯曲，并通过弹性薄片上的柔性传感器阵列测得该驱动器的弯曲状况，进而相应地调节SMA丝的收缩状态，达到精确控制驱动器弯曲程度的目的。这里可以通过调节柔性传感器的尺寸、数量和分布状况对弯曲状况测量效果进行优化。本发明感知驱动一体化薄板驱动器具有体积小，反应灵敏，能量密度高以及控制准确的优点，能够作为基础控制单元组成各类轻质灵活的末端执行器，具有较高的实用性。

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，涉及一种基于形状记忆合金(SMA)的感知驱动一体化薄板驱动器。

背景技术

随着机器人技术的日益发展，机器人的服务领域已由最初的工业用途逐渐转向家庭、医疗、战场和探测等其他领域。传统的工业机器人，由于其具有刚性身体、复杂结构、有限自由度及身体笨重等特点，限制了其在小型、复杂的非结构化空间中的作业能力。软体机器人躯体采用硅胶、橡胶等柔性材料制成，在工作过程中具有较好的连续性和安全性，适用于上述人机交互场合。

在软体机器人领域，形状记忆合金(SMA)驱动是一种较为热门的驱动方式。SMA丝只需通电加热便可发生相应的形变，驱动方便，噪声低。此外，由于SMA本身的材料特性，该驱动还具有能量密度高、动作连续以及使用寿命长的优点。SMA利用热能来发生形变，不同温度下，于奥氏体(相变终止状态)和马氏体(相变开始状态)之间切换，实现形状变化。但是，在实际应用过程中，SMA的温度难以实时测得，使得SMA的相变程度难以实现精准控制，因此目前基于SMA的柔性驱动器一般只能通过通电和断电实现二值化控制(即相变前状态和相变终止状态切换)，具有较差的鲁棒性。

为实现对基于SMA的柔性驱动器的精确控制，本发明使用柔性传感器阵列来对驱动器的弯曲状况进行监控，不同弯曲状况下，柔性传感器反馈的信号值不同，根据测得的信号值可得知驱动器的弯曲状况，进而调节通过SMA丝的电流大小或者电压占空比来间接调控驱动器的工作状态。

发明内容

本发明的目的在于提出一种使用SMA丝驱动的软体驱动器，利用其上的柔性传感器，获得驱动器的弯曲状态，再通过负反馈调节，实现对驱动器弯曲状态的精准控制。

本发明的功能是通过以下技术方案实现的：一种基于形状记忆合金(SMA)的感知驱动一体化薄板驱动器，包括两块固定板、柔性传感器阵列、硅胶基体、弹性薄片以及SMA丝，所述两块固定板包括自由端固定板和固定端固定板；所述SMA丝首尾两端固定在固定端固定板上，并且按照一定的顺序穿过两块所述固定板上的小孔，与两块固定板一起浇筑在硅胶基体中；所述弹性薄片与所述硅胶基体粘贴在一起，且背面粘贴多片柔性传感器，构成所述柔性传感器阵列；所述驱动器工作过程中，需将固定端固定板固定，对所述SMA丝通电，SMA丝发热收缩，带动驱动器弯曲至SMA丝拉力力矩与弹性薄片的弹性力力矩相抵消位置；所述柔性传感器阵列测得驱动器上不同位置的离散曲率，通过拉格朗日插值法，得到沿驱动器的连续曲率分布，进而通过拟合得出驱动器的重构弯曲形状，得出实际弯曲角度，再通过负反馈调节，调整该驱动器的弯曲角度，达到驱动器弯曲角度精确控制的目的。

进一步地，所述两块固定板，其上的小孔具有特定的规律性，以保证SMA丝能够按照一定顺序穿过其中，并在硅胶基体宽度方向上对称均匀分布，使得驱动器在动作过程中沿宽度方向上的应力具有均匀一致性。

进一步地，所述硅胶基体，应采用弹性模量较低的硅胶软体材料制成，以保证在所述驱动器弯曲过程中发生较大的形变。

进一步地，所述弹性薄片弹性模量较高，在所述SMA丝通电，驱动器弯曲过程中，存储弹性势能；在所述SMA丝断电，驱动器逐渐回复形状过程中，弹性势能释放，使驱动器回复正常形状。