本發(fā)明屬于人工肌肉，具體而言，涉及一種感知驅(qū)動一體化氣動驅(qū)動器及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、流體彈性體執(zhí)行器(fluidic?elastomer?actuator，fea)是一種模仿生物肌肉特性的柔性驅(qū)動裝置，其核心原理是通過加壓流體(通常為氣體，有時(shí)也包括液體)產(chǎn)生驅(qū)動力。憑借能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲、伸展、收縮和扭轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動模式，fea為仿生機(jī)器人提供了一種靈活且經(jīng)濟(jì)高效的驅(qū)動方式。將剛性結(jié)構(gòu)與柔性執(zhí)行器相結(jié)合的仿生機(jī)器人得以減少對高頻反饋控制系統(tǒng)的依賴，同時(shí)具備更高的運(yùn)動安全性和環(huán)境適應(yīng)能力，從而為多樣化的應(yīng)用場景奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2、然而，要進(jìn)一步借鑒剛?cè)釁f(xié)同的生物學(xué)范式構(gòu)建仿生機(jī)器人，僅僅依靠傳統(tǒng)fea尚難以完全滿足實(shí)際需求。這是因?yàn)槿嵝匀斯ぜ∪獠粌H需要具備良好的可控性，還需要提供足夠高的輸出力，以實(shí)現(xiàn)自然流暢的仿生運(yùn)動，同時(shí)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的多樣化要求。傳統(tǒng)fea雖然具有大變形、多自由度、低剛度、低驅(qū)動壓力和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，但在承載力和輸出力方面仍存在不足。本質(zhì)上，fea的速度和負(fù)載能力有限，這對其在高負(fù)載、高響應(yīng)應(yīng)用中的表現(xiàn)形成了制約。因此，亟需設(shè)計(jì)出一種既能快速響應(yīng)，又具備高負(fù)載能力的新型柔性人工肌肉，以推動仿生機(jī)器人的性能進(jìn)一步突破。

3、除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，集成傳感器以將外部刺激轉(zhuǎn)化為可記錄的反饋信號同樣至關(guān)重要。傳感器的加入不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對人工肌肉運(yùn)動狀態(tài)的精準(zhǔn)感知，還為閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。然而，由于流體彈性體驅(qū)動器多樣化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，傳感器設(shè)計(jì)面臨兼容性、魯棒性和易集成性等諸多挑戰(zhàn)。目前常見的傳感技術(shù)包括電阻式、電感式、電容式和光電式傳感器，各有優(yōu)缺點(diǎn)。相比之下，光波導(dǎo)傳感器憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，為氣動人工肌肉的性能提升提供了更優(yōu)解。

4、光波導(dǎo)傳感器具有高靈敏度和高信噪比，能夠精確捕捉微小位移和形變，支持精確的運(yùn)動控制；其低滯后特性和快速響應(yīng)能力滿足閉環(huán)控制的需求；非接觸式測量避免了機(jī)械磨損和額外阻力，有助于延長系統(tǒng)壽命。同時(shí)，光波導(dǎo)傳感器體積小、質(zhì)量輕，便于嵌入人工肌肉內(nèi)部，不顯著增加系統(tǒng)重量。此外，它抗電磁干擾，適合復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用。綜合這些優(yōu)勢，光波導(dǎo)傳感器不僅實(shí)現(xiàn)了人工肌肉的高效感知，還顯著提升了仿生機(jī)器人的快速響應(yīng)能力和閉環(huán)控制性能，進(jìn)一步推動了柔性人工肌肉在仿生機(jī)器人中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)本公開實(shí)施例的第一方面，提供一種感知驅(qū)動一體化氣動驅(qū)動器，包括距離檢測器件、波紋管彈性軟殼和伸縮套筒組；

2、所述波紋管彈性軟殼具有第一伸縮方向的彈性腔體，且具有在第一伸縮方向上相對的第一端與第二端；

3、所述伸縮套筒組植入所述波紋管彈性軟殼之內(nèi)，用于約束所述波紋管彈性軟殼在所述第一伸縮方向伸縮，且具有在第一伸縮方向上相對的第一端和第二端；

4、所述伸縮套筒組的第一端與所述波紋管彈性軟殼的第一端配接；所述伸縮套筒組的第二端與所述波紋管彈性軟殼的第二端配接；

5、所述距離檢測器件包括信號發(fā)射端和信號接收端；所述信號發(fā)射端植入所述伸縮套筒組的第一端的一側(cè)，所述信號接收端植入所述伸縮套筒組的第二端的一側(cè)，用于檢測所述波紋管彈性軟殼伸縮后的實(shí)際長度。

6、可選地，所述伸縮套筒組包括互相嵌套的大套筒和小套筒以及與之連接的第一限位結(jié)構(gòu)、第二限位結(jié)構(gòu)；所述第二限位結(jié)構(gòu)外徑大于所述第一限位機(jī)構(gòu)內(nèi)徑；

7、所述大套筒一端與所述彈性腔體的密封蓋連接，另一端與所述第一限位結(jié)構(gòu)連接，所述第一限位結(jié)構(gòu)內(nèi)徑大于所述小套筒外徑；

8、所述小套筒一端與所述彈性腔體的進(jìn)氣蓋連接，另一端與所述第二限位結(jié)構(gòu)連接，所述第二限位結(jié)構(gòu)外徑小于所述大套筒內(nèi)徑；

9、所述距離檢測器件的信號發(fā)射端設(shè)置在所述大套筒的內(nèi)部，所述距離檢測器件的信號接收端設(shè)置在所述小套筒的內(nèi)部。

10、可選地，所述大套筒內(nèi)設(shè)置有至少一個(gè)開槽；所述小套筒外側(cè)設(shè)置有至少一個(gè)t型突出；所述大套筒的各個(gè)開槽和所述小套筒的各個(gè)t型突出一一對應(yīng)，并且t型突出在對應(yīng)的開槽內(nèi)滑動。

11、可選地，所述伸縮套筒內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)密封的暗空間；所述距離檢測器件為光電傳感器；所述光電傳感器的光發(fā)射器作為所述信號發(fā)射端，所述光電傳感器的光探測器作為所述信號接收端。

12、可選地，所述光電傳感器還包括光發(fā)射器安裝通道，所述光發(fā)射器安裝通道植入小套筒之內(nèi)且所述光發(fā)射器植入所述光發(fā)射器安裝通道之內(nèi)；所述光發(fā)射器安裝通道采用吸入系數(shù)大于或等于預(yù)設(shè)系數(shù)閾值的材料制成。

13、可選地，所述彈性腔體的第一端設(shè)有進(jìn)氣口，所述進(jìn)氣口用于插入進(jìn)氣管并與所述進(jìn)氣管密封連接；所述氣動驅(qū)動器還包括控制器、充氣閥模組和放氣閥模組；所述充氣閥模組的入口與壓力泵連接，所述充氣閥模組的出口與所述彈性腔體的進(jìn)氣口連接；所述放氣閥模組的入口與所述彈性腔體的進(jìn)氣口連接，所述放氣閥模組的出口與真空泵連接；所述控制器分別與所述充氣閥模組、所述放氣閥模組和所述距離檢測器件電連接；

14、所述控制器用于通過所述充氣閥模組和所述放氣閥模組調(diào)整所述彈性腔體內(nèi)的氣壓；以及獲取所述距離檢測器件返回的實(shí)際長度和預(yù)期長度的差值；并在所述差值小于或等于預(yù)設(shè)差值閾值時(shí)，停止調(diào)整所述彈性腔體內(nèi)的氣壓。

15、根據(jù)本公開實(shí)施例的第二方面，提供一種感知驅(qū)動一體化氣動驅(qū)動器的控制方法，適用于如第一方面任一項(xiàng)所述的氣動驅(qū)動器，所述方法包括：

16、獲取所述氣動驅(qū)動器的目標(biāo)長度和外部載荷；

17、據(jù)所述目標(biāo)長度和外部載荷計(jì)算所述氣動驅(qū)動器的彈性腔體內(nèi)的目標(biāo)氣壓；

18、響應(yīng)于所述目標(biāo)氣壓和實(shí)際氣壓的差值小于或等于預(yù)設(shè)差值閾值，停止調(diào)整所述氣動驅(qū)動器的彈性腔體內(nèi)的氣壓。

19、可選地，根據(jù)所述目標(biāo)長度調(diào)整所述氣動驅(qū)動器的彈性腔體內(nèi)的氣壓，包括：

20、根據(jù)目標(biāo)長度獲取所述氣動驅(qū)動器中環(huán)形板的目標(biāo)最大偏轉(zhuǎn)撓度；

21、根據(jù)所述氣動驅(qū)動器兩端的外部載荷f和內(nèi)腔氣壓p，通過力學(xué)模型計(jì)算一系列最大撓度wmax；

22、計(jì)算氣動驅(qū)動器彈性腔體的目標(biāo)氣壓。

23、可選地，所述環(huán)形板的最大目標(biāo)偏轉(zhuǎn)撓度采用下式表示：

24、

25、式中，l表示所述氣動驅(qū)動器的長度；n表示所述氣動驅(qū)動器包含驅(qū)動單元的數(shù)量；wmax,t表示各環(huán)形板的最大目標(biāo)偏轉(zhuǎn)撓度。

26、可選地，所述力學(xué)模型采用下式表示：

27、

28、邊界條件采用下式表示：

29、當(dāng)r＝b時(shí)，且

30、當(dāng)r＝a時(shí)，mr＝0且u＝0

31、載荷采用下式表示：

32、

33、其他變量采用下式表示：

34、

35、式中，r表示徑向坐標(biāo)，μ表示氣動驅(qū)動器的材料的泊松比，q表示氣動驅(qū)動器的材料的楊氏模量，e表示氣動驅(qū)動器的材料的楊氏模量，mr表示彎矩，u表示徑向位移，a表示驅(qū)動單元的頂部環(huán)的內(nèi)部半徑，b表示彈性腔體的內(nèi)部半徑，c表示驅(qū)動單元的頂部環(huán)在第一伸縮方向的厚度，d表示驅(qū)動單元的根部環(huán)在第一伸縮方向的厚度，e表示驅(qū)動單元的根部環(huán)的內(nèi)部半徑和外部半徑的差值，h表示驅(qū)動單元的環(huán)形板在第一伸縮方向的厚度。

36、本公開的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

37、由上述實(shí)施例可知，本公開實(shí)施例提供的氣動驅(qū)動器通過伸縮套筒組內(nèi)設(shè)置距離傳感器，可以檢測伸縮套筒組時(shí)氣動驅(qū)動器的實(shí)際長度，達(dá)到精確控制氣動驅(qū)動器長度的效果。并且，本實(shí)施例中距離傳感器對氣動驅(qū)動器的重量影響較小，有利于氣動驅(qū)動器應(yīng)用于機(jī)器人時(shí)減輕機(jī)器人的重量。

38、應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本公開。