基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法及系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113858187A(43)申请公布日2021.12.31(21)申请号202111227151.7(22)申请日2021.10.21(71)申请人上海交通大学地址200240上海市闵行区东川路800号(72)发明人黄健哲敬忠良顿向明刘物己潘汉其他发明人请求不公开姓名(74)专利代理机构上海段和段律师事务所31334代理人李佳俊郭国中(51)Int.Cl.B25J9/10(2006.01)B25J9/16(2006.01)权利要求书7页说明书14页附图1页(54)发明名称基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法及系统(57)摘要本发明提供了一种基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法及系统，涉及柔性机器臂控制技术领域，该方法包括：步骤S1：获取SMA弹簧向量表达式并计算数值；步骤S2：根据计算数值，对分系统、边界、切换集以及映射进行辨识；步骤S3：引入物理约束，判断所述分系统数目及当前所处分系统；步骤S4：实时监测各平台位姿向量，在发生系统切换时，输出当前分系统，为控制方法提供参考。本发明能够解决基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换系统认知不足的问题，可避免由于系统切换而控制方案变更不及时，系统失控或失稳现象的发生。CN113858187ACN113858187A权利要求书1/7页1.一种基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法，其特征在于，包括：步骤S1：获取SMA弹簧向量表达式并计算数值；步骤S2：根据计算数值，对分系统、边界、切换集以及映射进行辨识；步骤S3：引入物理约束，判断所述分系统数目及当前所处分系统；步骤S4：实时监测各平台位姿向量，在发生系统切换时，输出当前分系统，为控制方法提供参考。2.根据权利要求1所述的基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：外力作用下，压迫SMA弹簧产生压缩效果，结合本构模型得到：其中，Fsmaij表示第i个平台第j组SMA弹簧的输出力；ΔYij表示第i个平台第j组SMA弹簧的形变量；Ω表示为相变系数；Θ表示为热弹性系数；ξ表示为马氏体体积分数；ξ0表示为初始马氏体体积分数；T为温度，T0为环境温度；σe为SMA弹性应力极限；Fe和Ye为关于σe的恒定比例函数；结合微元法，SMA弹簧具备的弹性势能Psma表示为：其中，sign为符号函数，SMA弹簧由拉伸状态变为压缩状态，或由压缩状态变为拉伸状态时，系统发生切换，激活sign发生符号的跳变，系统发生切换；对于第i个平台，定义其相对于固定坐标系的欧拉角为第i个平台到固定坐标系的旋转矩阵R(i)为：其中对于第i平台第j组SMA弹簧，其向量表示为：2CN113858187A权利要求书2/7页其中，表示第i平台第j组SMA弹簧的上固定端在第(i+1)个参考系下的向量；表示第i平台第j组SMA弹簧的下固定端在第i个参考系下的向量；L(i)表示第(i+1)个平台的原点在第i个参考系下的向量；进而第i平台第j组SMA弹簧的形变量ΔYij写为：其中，Y0表示各SMA弹簧的记忆长度。3.根据权利要求1所述的基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：基于SMA的形变量表达式，对于第i个平台，当任意一组弹簧发生状态切换时，柔性机器臂的动力学模型就发生改变，则其分系统定义为：其中，表示第i个平台下第α个分系统。4.根据权利要求3所述的基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法，其特征在于，所述步骤S2中边界为两个分系统之间的分界，当运动恰好经过边界时，某一组SMA弹簧处于形变量为零的状态，对于第i个平台，其分界线定义为：3CN113858187A权利要求书3/7页其中，表示第α和β个分系统之间的边界。5.根据权利要求4所述的基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法，其特征在于，所述步骤S2切换集包括：基于分系统和边界的定义，系统的切换集定义为：4CN113858187A权利要求书4/7页其中，θio,ψio,θ(i+1)o,ψ(i+1)o表示在边界上发生切换时的欧拉角。6.根据权利要求5所述的基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制方法，其特征在于，5CN113858187A权利要求书5/7页所述步骤S2映射包括：映射进一步定义为：其中，当α0＝β0时，表示流从一个分系统开始，经过一段时间又回到此分系统，称为局部映射；当α0≠β0时，流从一个分系统开始，经过一段时间达到另外一个分系统，称为全局映射；当发生全局映射时，表示第i节柔性机器臂发生系统的切换。7.一种基于SMA弹簧驱动的柔性机器臂切换控制系统，其特征在于，包括：模块M1：获取SMA弹簧向量表达式并计算数值；模块M2：根据计算数值，对分系统、边界、切换集以