【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及软体机器人，尤其是涉及一种并联柔性机械腕的控制方法。
技术介绍
1、近年来，具有高精度、高重复性作业能力的刚性机械臂在加工制造、灾后救援、资源勘探等领域得到了广泛应用。为了提高机械臂作业的灵巧性，研究者们提出使用机械腕以增加机械臂末端执行器的自由度。然而，传统的刚体机械腕受到刚性材料大惯性、高硬度等特性的限制，存在工作空间大，交互安全性低的痛点。这些痛点导致刚体机械腕难以适应农业、矿业以及水下(例如，礁石环境、珊瑚栖息地等)等非结构化作业环境。因此，面向非结构化受限环境开发一种紧凑、交互安全的机械腕迫在眉睫。
2、现阶段国内外研究可以根据驱动方式将机械腕分为以下三类：(1)电机驱动；(2)气压驱动；(3)液压驱动。其中，基于电机驱动的机械腕采用电机传动的工作原理，优点是定位精度高和响应速度快，缺点是质量大、结构柔顺性差。基于气压/液压驱动的机械腕通过控制机械腕结构组件中的气压/液压差来实现机械腕的基础运动，优点是带负载能力强，缺点是驱动器质量大且体积大，难以进行便携化设计。
技术实现思路
1、为解决上述
技术介绍
中提出的问题，本专利技术采取的技术方案为：
2、一种并联柔性机械腕的控制方法，该并联柔性机械腕包括上表面、下表面及安装在上表面与下表面之间的三个人工肌肉；三个人工肌肉结构相同，且三个人工肌肉相互平行，均匀分布在上表面与下表面之间，每个人工肌肉均包括圆柱形的硅胶主体，所述硅胶主体内部包覆有多组镍钛记忆合金线圈、磁铁与霍尔元件；
4、s1、上位机向微控制器发送指令，微控制器输出pwm信号，pwm信号经由放大器放大后作用在需控制的镍钛记忆合金线圈两端；
5、s2、镍钛记忆合金线圈通电后发热，使其长度发生改变，进而引起对应的磁铁与霍尔元件之间的距离发生改变；
6、s3、霍尔元件输出电压经过ad转换器输入微控制器，进而计算对应的人工肌肉的实际长度；
7、s4、通过每个人工肌肉的实际长度，计算出唯一确定的并联柔性机械腕的位姿。
8、在一些实施例中，在步骤s1与步骤s2中，通过调整pwm信号的占空比，控制一个周期内对应的镍钛记忆合金线圈的加热时间，从而调节该镍钛记忆合金线圈的长度。
9、在一些实施例中，在步骤s4中，计算出唯一确定的并联柔性机械腕的位姿的步骤具体包括：
10、分别记三个人工肌肉的长度为l1、l2和l3，以及记并联柔性机械腕的中心曲线的长度为l0，三个人工肌肉在半径为d/2的圆上以120°均匀分布；
11、将单个人工肌肉的曲线运动视为圆弧运动，定义人工肌肉的弯曲角度为β，弯曲曲率半径为r，偏转角度为α；
12、三个人工肌肉的偏转角度α1、α2、α3和并联柔性机械腕中心曲线偏转角度α0的关系如下：
13、
14、
15、
16、基于公式(1.1)、(1.2)和(1.3)推导出三个人工肌肉的偏转角αi(i＝1,2,3)满足关系式：
17、
18、定义人工肌肉的弯曲曲率半径为ri(i＝1,2,3)，推导出三个人工肌肉的弯曲曲率半径ri和并联柔性机械腕的中心曲线的曲率半径r0的关系如下：
19、
20、由式(1.4)和式(1.5)推导并联柔性机械腕的中心曲线长度l0和三个人工肌肉的长度li的关系如下：
21、
22、
23、定义并联柔性机械腕的弯曲曲率ξ，中心曲线长度l0和弯曲角度β具有关系：ξl0＝β；结合式(1.5)和式(1.6)，得到并联柔性机械腕的弯曲曲率ξ满足如下关系：
24、
25、结合式(1.5)和式(1.8)，得出并联柔性机械腕的中心曲线偏转角度α0和弯曲曲率ξ的关系，并且可以得出并联柔性机械腕的中心曲线偏转角度α0与三个人工肌肉的长度li的关系如下：
26、
27、
28、通过式(1.9)和式(1.10)计算并联柔性机械腕的中心曲线偏转角度α0和弯曲曲率ξ，进而推出三个人工肌肉各自的偏转角度αi(i＝1,2,3)，唯一确定并联柔性机械腕的位姿。
29、在一些实施例中，对于任意一个人工肌肉，还包括包括上盖和下盖，所述硅胶主体安装在上盖与下盖之间；
30、所述上盖固定在上表面下方，所述下盖固定在下表面上方；
31、所述硅胶主体内部还包覆有两个圆环形的固定板；
32、多个磁铁均安装在其中一个固定板上，多个霍尔元件均安装在另一个固定板，所述磁铁与霍尔元件数量相同且上下一一对应；
33、所述硅胶主体的中部预留有圆柱形空腔，且该圆柱形空腔与圆环形的固定板的中空区域对应，共同用于设置霍尔元件的导线。
34、在一些实施例中，所述上表面与下表面其中的一个表面用于与外部机械臂末端连接，另一个表面用于与外部机械手连接。
35、在一些实施例中，每组镍钛记忆合金线圈由两条线圈串联而成，两条线圈在上端通过焊点连接；
36、每条线圈均由镍钛记忆合金丝和硅胶毛细管组合后缠绕形成，镍钛记忆合金丝设置在硅胶毛细管内部。
37、在一些实施例中，所述硅胶主体内部包覆有三组镍钛记忆合金线圈，且三组镍钛记忆合金线圈均匀分布。
38、在一些实施例中，所述磁铁与霍尔元件的数量均为三个，且三个磁铁均匀分布在一个固定板的外侧，三个霍尔元件均匀分布在另一个固定板的外侧。
39、在一些实施例中，所述上盖与下盖的结构相同；
40、所述上盖包括圆盘状的盖体及固定在盖体一端中部的空心圆柱形的连接部，所述硅胶主体的端部设置在所述连接部的内侧。
41、在一些实施例中，所述上盖由内到外依次开设有中心孔、多个线圈孔与多个螺纹孔；
42、所述中心孔与硅胶主体的圆柱形空腔对应，用于供霍尔元件的导线的导线穿过；
43、所述线圈孔用于供镍钛记忆合金线圈的端部穿出，从而与外部控制电路连接；
44、所述螺纹孔位于连接部的外侧，用于安装螺栓，进而使所述上盖与外部机械结构连接；
45、所述上表面与下表面的结构相同，所述上表面开设有与中心孔、多个线圈孔与多个螺纹孔对应的通孔。
46、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
47、本专利技术提供的并联柔性机械腕的控制方法，三个并联的人工肌肉独立控制，具有三个自由度；人工肌肉采用镍钛记忆合金线圈，依据镍钛记忆合金在不同温度下长度会发生变化的原理，通过外部电路控制镍钛记忆合金线圈加热，来调整镍钛记忆合金线圈的长度，从而自动控制人工肌肉的运动，以及机械臂腕整体的运动；经过加热镍钛记忆合金线圈长度发生改变进而引起霍尔元件与磁铁之间的距离发生改变，磁场强度发生改变则霍尔元件的输出电压也发生改变，进而可方便地计算出人工肌肉的实际长度，有利于对机械臂腕的精确控制。...
【技术保护点】
1.一种并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，该并联柔性机械腕包括上表面(20)、下表面(30)及安装在上表面(20)与下表面(30)之间的三个人工肌肉(10)；三个人工肌肉(10)结构相同，且三个人工肌肉(10)相互平行，均匀分布在上表面(20)与下表面(30)之间，每个人工肌肉(10)均包括圆柱形的硅胶主体(6)，所述硅胶主体(6)内部包覆有多组镍钛记忆合金线圈(2)、多个磁铁(4)与多个霍尔元件(5)；
2.根据权利要求1所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，在步骤S1与步骤S2中，通过调整PWM信号的占空比，控制一个周期内对应的镍钛记忆合金线圈(2)的加热时间，从而调节该镍钛记忆合金线圈(2)的长度。
3.根据权利要求1所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，在步骤S4中，计算出唯一确定的并联柔性机械腕的位姿的步骤具体包括：
4.根据权利要求1所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，对于任意一个人工肌肉(10)，还包括包括上盖(1)和下盖(7)，所述硅胶主体(6)安装在上盖(1)与下盖(7)之间；
5.根据权利
6.根据权利要求5所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，每组镍钛记忆合金线圈(2)由两条线圈串联而成，两条线圈在上端通过焊点连接；
7.根据权利要求6所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，所述硅胶主体(6)内部包覆有三组镍钛记忆合金线圈(2)，且三组镍钛记忆合金线圈(2)均匀分布。
8.根据权利要求7所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，所述磁铁(4)与霍尔元件(5)的数量均为三个，且三个磁铁(4)均匀分布在一个固定板(3)的外侧，三个霍尔元件(5)均匀分布在另一个固定板(3)的外侧。
9.根据权利要求8所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，所述上盖(1)与下盖(7)的结构相同；
10.根据权利要求9所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，所述上盖(1)由内到外依次开设有中心孔(14)、多个线圈孔(15)与多个螺纹孔(13)；
...【技术特征摘要】
1.一种并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，该并联柔性机械腕包括上表面(20)、下表面(30)及安装在上表面(20)与下表面(30)之间的三个人工肌肉(10)；三个人工肌肉(10)结构相同，且三个人工肌肉(10)相互平行，均匀分布在上表面(20)与下表面(30)之间，每个人工肌肉(10)均包括圆柱形的硅胶主体(6)，所述硅胶主体(6)内部包覆有多组镍钛记忆合金线圈(2)、多个磁铁(4)与多个霍尔元件(5)；
2.根据权利要求1所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，在步骤s1与步骤s2中，通过调整pwm信号的占空比，控制一个周期内对应的镍钛记忆合金线圈(2)的加热时间，从而调节该镍钛记忆合金线圈(2)的长度。
3.根据权利要求1所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，在步骤s4中，计算出唯一确定的并联柔性机械腕的位姿的步骤具体包括：
4.根据权利要求1所述的并联柔性机械腕的控制方法，其特征在于，对于任意一个人工肌肉(10)，还包括包括上盖(1)和下盖(7)，所述硅胶主体(6)安装在上盖(1)与下盖(7)之间；
5.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨立仁，杨皓天，胡飞宇，沈逸，岳作功，程骋，邰若晨，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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