[发明专利]一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及其控制方法，属于软体机器人领域。所述的软体机械臂系统包括安装框架、上位机、相机、高压模块、信号采集模块以及基于介电弹性体的模块化软体机械臂。所述的相机用于检测机械臂的位姿，所述的高压模块包括电压发生模块、电压放大模块以及供电模块，用于提供机械臂的驱动电压。所述的信号采集模块用于检测机械臂的驱动电压。所述的基于介电弹性体的模块化软体机械臂由数个软体单元串联组成，每一个软体单元都可以在驱动电压下实现轴向伸长和任意方向弯曲，因此机械臂具有超冗余自由度，结构轻巧，运动灵活。本发明可以对软体机械臂进行实时姿态控制，操作简单，鲁棒性强，控制效果好。

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，具有涉及一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法。

背景技术

传统的刚性机械臂必须依靠传感器或监控设施获取外部输入力或扭矩，进而调整机械臂自身的姿态，以避免碰撞，这要求刚性机械臂具有快速实时的系统响应以及高精度控制系统，无疑增加了制造难度和成本。相比之下，软体机械臂可以通过改变自身形状以适应非结构环境，具有良好的适应性、生物相容性以及运动灵活性，在医疗保健、侦查搜救、人机交互等领域得到了广泛的应用。

在驱动方法上，目前存在的软体机械臂的驱动方式主要有线缆驱动、气体驱动动和形状记忆材料驱动，都存在一定的局限性。如线缆驱动的机械臂需要大量的驱动电机，还需要进行复杂的线缆路径设计，如导向滑轮、轴承等，系统成本高，维修困难，可靠性低；气体驱动需要大量的气阀等设备，难以实现对气体的精确控制；形状记忆材料大都通过温度的变化进行调控，响应速度较慢。基于介电弹性体的机械臂驱动应变大，能量密度大，驱动速度高，结构简单，具有十分广阔的应用前景。

在制造方法上，传统软体机械臂一体成型的制造技术，一方面难以根据实际的应用场景灵活改变机械臂的长度，另一方面若机械臂某处出现损坏，往往需要对整个的机械臂进行重新制做，造成极大的浪费。

在控制方法上，由于软体机械臂固有的强非线性，往往难以实现对机械臂姿态的精确控制。现有的技术中，存在针对气动机械臂的控制方法，但是针对基于介电弹性体机械臂的控制方法的研究还不够完善，需要进一步提出一种系统化的控制方法。

发明内容

本发明为解决传统的软体机械臂存在的上述问题，本发明提供了一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统及控制方法，其技术方案如下：

本发明的第一个方面，提供了一种基于介电弹性体的模块化软体机械臂系统，所述的软体机械臂系统包括安装框架、上位机、相机、高压模块、信号采集模块以及模块化软体机械臂；

所述的安装框架用于模块化软体机械臂的安装和定位；所述的相机与上位机连接，一对相机分别固定在安装框架的侧板和背板上，用于对模块化软体机械臂的位姿进行实时检测；所述的高压模块的控制端与上位机相连，高压模块的高压输出端与模块化软体机械臂相连，用于提供驱动电压；所述的信号采集模块与高压模块的高压输出端相连，用于采集高压模块输出的驱动电压并反馈给上位机；

所述的模块化软体机械臂由数个软体单元串联组成，每一个软体单元由三个驱动单元并联组成，当每一个驱动单元的驱动电压都不相同时，软体单元产生弯曲；当每一个驱动单元的驱动电压相同时，软体单元沿轴向伸长。

作为本发明的优选，所述的高压模块包括电压发生模块、电压放大模块以及供电模块；所述的电压发生模块与上位机相连，包括控制器以及电压输出板卡，用于产生低压模拟信号，控制器和电压输出板卡的数量与模块化软体机械臂中软体单元个数成正比，每一个软体单元需要三个电压通道；电压放大模块用于放大低压产生高压进而驱动机械臂；供电模块用于对电压放大模块供电。

作为本发明的优选，所述的模块化软体机械臂中的数个软体单元通过可拆卸连接方式串联，所述的可拆卸连接方式包括卡扣连接、螺栓螺母连接、磁吸连接、胶带粘接。